嵌入式系统设计——网络编程

网络基础

为什么需要网络通信
进程间通信解决的是本机内通信
网络通信解决的是任意不同机器通信

实现网络通信需要哪些支持

通信设备

• 网卡（PC机自带）
• 路由器、交换机
• 光纤、电缆、基站
• 通信协议

操作系统自带协议栈

• 裸机开发需要独立的协议栈
• 简单网络通信只需要学会使用系统API

TCP/IP协议栈
OSI七层网络模型、LINUX四层网络模型

协议栈为什么要分层

• 各层之间是独立的
• 灵活信号
• 结构上可分割开
• 易于实现和维护
• 能促进标准化工作
• 协议栈实现数据的压缩加密和解压加密

IP地址
实际上是32位二进制数
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

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

子网掩码的作用

• 决定一个网段的大小（可用ip的数量）
• 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

DNS协议
域名解析，把域名解析成IP地址

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）

TCP协议：传输控制协议
特点：面向连接、可靠的字节流传输
TCP报文格式

• 端口号
• ***seq
• TCP标识位
• 滑动窗口机制
• 校验方式
• 数据大小

连接方式
建立连接：三次握手
断开连接：四次挥手
（原因：网络通信是全双工的）

UDP协议：用户数据报协议

无连接不可靠传输
UDP报文格式

• 局域网
• 广域网

协议特点：

• 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
  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
• 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
• 没有拥堵控制
• 支持一对一、多对一和多对多的交互通信

TCP VS UDP

网络编程
C/S VS B/S
C/S：客户/服务器模式
B/S：浏览器/服务器模式

套接字
作用：传输层的文件描述符

TCP的C/S实现（循环服务器模型）
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——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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include  <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 35171
int main()
{
    int cfd;
    int sockfd;
    int c_len;
    char buffer[1024];
    struct sockaddr_in s_addr;
    struct sockaddr_in c_addr;
    if((sockfd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) <0)
    {
        perror("socket create error!");
        exit(1);
    }
    printf("socket  success!\n");
    int opt=1;
    setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
    bzero(&s_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(PORT);//字节序转换
    s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&s_addr),sizeof(struct sockaddr_in)) < 0)
    {
        perror("bind error!");
        exit(1);
    }
    printf("bind success!\n");
    if(listen(sockfd,3) < 0)
    {
        perror("listen error!");
        exit(1);
    }
    printf("listen success!\n");
    while(1)
{
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
     bzero(&c_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
     c_len = sizeof(struct sockaddr_in);
     printf("accepting.....\n");
     if((cfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&c_addr),&c_len))<0)
      {
        perror("accept error!");
        exit(1);
    }

    printf("port = %d  ip=%s\n",ntohs(c_addr.sin_port),inet_ntoa(c_addr.sin_addr));
    read(cfd,buffer,sizeof(buffer));
    printf("recv = %s\n",buffer);
    usleep(2);
    write(cfd,buffer,strlen(buffer));
}
    return 0;
}

TCP客户端实现过程

• 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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include  <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 35171

int main()
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in s_addr;

     if((sockfd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) <0)
    {
        perror("socket create error!");
        exit(1);
    }
    printf("client socket  success!\n");
    bzero(&s_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(PORT);//字节序转换
    s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

   if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&s_addr),sizeof(struct sockaddr_in))<0) 
   {
        perror("connect error!");
        exit(1);
    }
    printf("connect  success!\n");

    write(sockfd,"hello world",12);

    char buffer[1024];
    read(sockfd,buffer,sizeof(buffer));
    printf("recv server:%s\n",buffer);
    return 0;
}