嵌入式课堂笔记10

一、网络基础
1、为什么需要网络通信？
①进程间通信解决的是本机内通信
②网络通信解决的是任意不同机器通信
2、实现网络通信需要哪些支持？
①通信设备
网卡：PC机自带
路由器，交换机
光纤、电缆、基站
②通信协议（发什么数据，怎么发数据，发完数据后做什么）
操作系统自带协议栈；（Linux的特点：丰富的网络协议）（使用通信协议）
裸机开发需要独立的协议栈
③简单网络通信只需要学会使用系统API（学会调试）
3、tcp/ip协议栈
①什么是通信协议？作用？
双方在做通信之前约定好的动作和传输数据的格式，使多台机器能够
相互通信
②OSI七层网络模型、Linux四层网络模型

(1)协议栈为什么要分层？
分层的好处：各层之间是独立的，灵活性好，并且在结构上是可分割开的，易于实现和维护，能够促进标准化工作。

物理层 ：通信介质的信号到数字信号（二进制0101）转换
数据链接层 ：局域网之间计算机通信 通过mac地址（物理网卡）通信
网络层：IP地址，路由（通过公网ip来访问全世界）
传输层 ：tcp/udp tcp(可靠，速度慢) udp（不可靠，速度快） 端口（让不同的应用程序，同时使用网络）
会话层 : 控制发包的数据
表示层 : 文件格式
应用层 : 应用程序使用

协议栈实现数据的压缩加密和解压解密


③IP地址
（1）ip地址：实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）100.4.5.6
（2）公网ip（广域网通信）：a类 1.0.0.1~126.255.255.254
b类 128.0.0.1~191.255.255.254
c类 192.0.0.1~223.255.255.254
d类 224.0.0.1—239.255.255.254组播,VRRP协议，keepalive高可用
e类 240.0.0.1—255.255.255.254 科研
（3）私网ip（局域网通信）：A 10.0.0.0~10.255.255.255
B 172.16.0.0~172.31.255.255
C 192.168.0.0~192.168.255.255
（4）如何解决IP地址荒？
1）ipv4升级到ipv6
2）网络地址转换NAT（Network Address Translation）：将内网ip转为公网ip
（5）子网掩码的作用
1）决定一个网段的大小（可用ip的数量）
2）同一个网段的ip地址，才能直接相互通信，不同网段的ip地址，需要路由器才能相互通信！
（6）DNS协议：域名解析
把域名解析成ip地址
（7）ARP协议
把ip地址解析成mac地址（物理地址，全球唯一）（局域网通信必须通过MAC地址）
④TCP协议：传输控制协议
（1）特点：面向连接、可靠的字节流传输
（2）TCP的报文段格式
1）端口号
端口号的作用：确定和机器上哪个应用程序通信
端口号的取值范围

2）序列号seq（随机生成）
3）TCP标识位
SYN：建立链接
ACK：回应标识
FIN： 断开链接
PSH： 数据包
URG： 紧急指针
RST ： 重置（重传）
4）滑动窗口机制
5）检验方式
奇偶校验Parity Check
bcc异或校验法(block check character)
crc循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)
md5校验和数字签名
海明码校验
6）数据大小
a.局域网的链路层传输数据的最大长度是1518bit，包括帧的头尾部长度18bit（头14+尾4），IP头部长度为20bit，TCP头尾部长度为20bit，UDP头尾部长度为8bit
b.TCP在局域网中传输数据的最长长度=1518-18-20-20 = 1460bit
c.广域网传输不限定大小，因为超过限定大小，会进行拆包发送
（3）如何连接？
1）建立连接：三次握手
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手
2）断开连接：四次挥手
A.客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
B.服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
C.客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
D.服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
E.客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
F.服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
3）为什么是三次握手和四次挥手？
网络通信是全双工的
4）dos、ddos攻击
(4)如何保证可靠有序的传输？
1）三次握手建立连接
2）应答机制，也就是将数据发送给对方后，对方必须应答是否发送成功
3）使用“滑动窗口”机制，根据网络的好坏，控制发送的分组数据的大小
⑤udp协议：用户数据报协议
（1）无连接不可靠传输
（2）UPD的报文格式

1）局域网：UDP传输数据的最长长度 = 1518 - 18 -20 - 8 =1472bit
2）广域网：用UDP协议发送时，用sendto函数最大能发送数据的长度为：65535- IP头(20) - UDP头(8)＝65507字节。用sendto函数发送数据时，如果发送数据长度大于该值，则函数会返回错误
（3）协议特点
1）无连接的:发送数据之前不需要建立连接，减少了开销和发送数据之前的延时。
2）尽最大努力交付:不保证可靠的交付，主机不需要维持复杂的链接状态表。
3）面向报文的:发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
4）没有拥堵控制
5）支持一对一、多对一和多对多的交互通信
4、TCP VS UDP

二、网络编程
1、TCP服务器实现过程
创建套接字：socket函数
给套接字绑定ip地址和端口号：bind函数
出现无法绑定？解决办法：setsockopt函数
将套接字文件描述符，从主动变为被动文件描述符（做监听准备）：listen函数
被动监听客户的连接并响应：accept函数
服务器调用read（recv）和write（send），收发数据，实现与客户的通信
调用close或者shutdown关闭TCP的连接
2、TCP客户端的实现过程
用socket创建套接字文件，指定使用TCP协议
调用connect主动向服务器发起三次握手，进行连接
调用read（recv）和write（send）收发数据
调用close或者shutdown关闭连接

server.c



client.c