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1、第6章 嵌入式LINUX网络编程,6.1 TCP/IP协议概述 6.2 网络基础编程,1OSI参考模型与TCP/IP参考模型 OSI协议参考模型，它是基于国际标准化组织（ISO）的建议发展起来的。从上到下共分七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。但这七层在实际中却没有得到广泛的应用，其重要的原因之一就在于它过于复杂。但它仍是此后很多协议的基础，这种分层架构的思想在很多领域都得到了广泛的应用。 与此相区别的TCP/IP协议模型从一开始就遵循简单明确的设计思路，它将OSI的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对
2、应关系如下图。,6.1 TCP/IP协议概述,网络接口层：负责将二进制流转换为数据帧，并进行数据帧的发送和接收。 网络层：负责将数据帧封装成IP数据报，并运行必要的路由算法。 传输层：负责端对端之间的通信会话连接与建立，传输协议的选择数据传输方式而定。 物理层：负责应用程序的网络访问，这里通过端口号来识别各个不同的进程。,2,嵌入式LINUX网络编程,2TCP/IP协议族,6.1 TCP/IP协议概述,3,嵌入式LINUX网络编程,3TCP和UDP （1）TCP TCP的上层是应用层，因此，TCP数据传输实现了从一个应用程序到另一个应用程序的数据传递。应用程序通过编程调用TCP并使用TCP服务
3、，提供需要准备发送的数据，用来区分接收数据应用的目的地址和端口号。 通常应用程序通过打开一个socket来使用TCP服务，TCP管理到其他socket的数据传递。可以说，通过IP的源/目的可以唯一地区分网络中两个设备的关联，通过socket的源/目的可以唯一地区分网络中两个应用程序的关联。 三次握手协议： TCP对话通过三次握手来初始化的。三次握手的目的是使数据段的发送和接收同步，告诉其他主机其一次可接收的数据量，并建立虚连接。 三次握手的简单过程。 初始化主机通过一个同步标志置位的数据段发出会话请求。 接收主机通过发回具有以下项目的数据段表示回复：同步标志置位、即将发送的数据段的起始字节的顺
4、序号、应答并带有将收到的下一个数据段的字节顺序号。 请求主机再回送一个数据段，并带有确认顺序号和确认号。,6.1 TCP/IP协议概述,4,嵌入式LINUX网络编程,（2）UDP UDP既用户数据报协议，它是一个无连接协议，因此不需要TCP那样通过三次握手来建立一个连接。同时，一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。由于UDP协议并不需要建立一个明确的连接，因此建立UDP应用要比建立TCP应用简单得多。 UDP协议从问世至今已被使用了很多年，它比TCP协议更为高效，也能更好的解决实时性问题。如今，包括网络视频会议系统在内的众多客户/服务器模式的网络应用都使用UDP协议。 UDP数据包头：
5、 源地址、目的地址：16位长，标识出远端和本地的端口号。 数据包的长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域主要用来计算可变长度的数据部分。 （3）协议的选择 协议的选择应考虑以下3方面： 对数据可靠性的要求 对数据要求高可靠性的应用需选择TCP协议，如验证、密码字段的传送都是不允许出错误的，而对数据可靠性要求不那么高的应用可选择UDP协议。 应用的实时性 由于TCP协议在传送过程中要求进行三次握手、重传确认等手段来保证数据传送的可靠性。使用TCP会有很大的时延，因此不适合对实时性要求较高的应用，如视频监控等。相反，UDP则在这些方面能发挥很好的应用。 网络的
6、可靠性 由于TCP的提出主要是解决网络的可靠性问题，它通过各种机制来减少错误发生的概率。因此，在网络状况不是很好的情况下需选择TCP协议（如在广域网等情况），但是在网络状况很好的情况下（如局域网等）就不需要再采用TCP协议，选择UDP来减少网络负荷。,6.1 TCP/IP协议概述,5,嵌入式LINUX网络编程,1Socket概念 （1）socket定义 在LINUX中网络编程是通过socket接口来进行的。 Socket接口是一种特殊的I/O，它也是一种文件描述符。每一个socket都用一个半相关描述协议，本地地址、本地端口来表示；一个完整的套接字则用一个相关描述协议，本地地址、本地端口、远程
7、地址、远程端口。 Socket也有一个类似于打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过socket来实现的。 （2）socket类型 常用的socket有3种类型如下： 流式socket（SOCK_STREAM） 流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性。 数据报socket（SOCK_DGRAM） 数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并不保证是可靠、无差错的。它使用UDP协议。 原始socket 原始套接字允许底层协议如IP或ICMP进行直接访
8、问。它的功能强大但使用较为不便，主要应用于一些协议的开发。,6.2 网络基础编程,6,嵌入式LINUX网络编程,2地址及顺序处理 （1）地址结构相关处理 数据结构介绍 下面介绍两个重要的数据类型：sockaddr和sockaddr_in,这两个结构类型都是用来保存socket信息的，如下： Struct sockaddr unsigned short sa_family; /*地址族*/ char sa_data14; /*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号*/ ; Struct sockaddr_in short int sa_family; /*地址族*/ unsig
9、ned short int sin_port; /*端口号*/ struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/ unsigned char sin_zero8; /*填充0以保持与struct sockaddr同样大小*/ ; 这两个协议是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。在建立sockaddr或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作了。,6.2 网络基础编程,7,嵌入式LINUX网络编程,结构字段 下表列出了该结构sa_family字段可选的常见值。,6.2 网络基础编程,（2）数据存储优先顺序 函数说明 计算机
10、数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet 上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，因此在有些情况下，需要对这两个字节存储优先顺序进行相互转化。这里用到四个函数：htons、ntohs、htonl、ntohl。这四个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里h代表host, n代表network, s代表short, l代表long。通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。,8,嵌入式LINUX网络编程,6.2 网络基础编程,函数格式说明 下表列出了这4个函数的语法格式。,9,嵌入式LINUX网络编程,6.2 网络基础编程,（3）地址格式转化 函数
11、说明 通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。在IPv4中用到的函数有inet_aton、inet_addr和inet_ntoa，而IPv4和IPv6兼容的函数有inet_pton和inet_ntop。由于IPv6是下一代互联网的标准协议，因此，我们讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6，但在下面举例时仍以IPv4为例。 这里inet_pton函数是将点分十进制地址转换为二进制地址，而inet_ntop是将二进制地址转换为十进制地址。 函数格式 下表列出了ine
12、t_pton函数的语法格式。,10,嵌入式LINUX网络编程,6.2 网络基础编程,下表列出了inet_ntop函数的语法格式。,11,嵌入式LINUX网络编程,6.2 网络基础编程,（3）名字地址转化 函数说明 通常，人们在使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次记忆那么长的IP地址。因此，使用主机名将会是很好的选择。在LINUX中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostbyname、 gethostbyaddr、getaddrinfo等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。其中 g
13、ethostbyname是将主机名转化为IP地址， gethostbyaddr则是逆操作，是将IP地址转化为主机名，另外getaddrinfo还能实现自动识别IPv4和IPv6地址。 Gethostbyname和gethostbyaddr都涉及到一个hostent的结构体。 Struct hostent char* h_name; /*正式主机名*/ char *h_aliases; /*主机别名*/ int h_addrtype; /*地址类型*/ int h_length; /*地址长度*/ char *h_addr_list; /*指向IPv4和IPv6 的地址指针数组*/ 调用该函数后
14、就能返回hostent结构体的相关信息。,12,嵌入式LINUX网络编程,6.1 TCP/IP协议概述,Getaddrinfo函数涉及到一个addrinfo的结构体。,Struct hostent int ai_flags; /*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME*/ int ai_family; /*地址族*/ int ai_socktype; /*socket类型*/ int ai_protocol; /*协议类型*/ size_t ai_addrlen； /*地址长度*/ char *ai_canoname; /*主机名*/ struct sockaddr *ai_addr;
15、 /*socket结构体*/ struct addrinfo *ai_next; /*下一个指针链表*/ 函数格式 下表列出了gethostbyname函数的语法格式。,调用该函数时可以首先对hostent结构体中的h_addrtype和 h_length进行设置，若为IPv4设置为AF_INET和4；若为IPv6设置为AF_INET6和16，不设置默认为IPv4。,13,嵌入式LINUX网络编程,6.1 TCP/IP协议概述,下表列出了getaddrinfo函数的语法格式。,调用之前，首先要对hints服务线索进行设置。它是一个addrinfo结构体，下表列出了该结构体常见的 选项值。,14
16、,嵌入式LINUX网络编程,6.1 TCP/IP协议概述,15,嵌入式LINUX网络编程,使用实例 #include #include #include #include #include #include #include #include int main() struct addrinfo hints,*res=NULL; int rc; memset( ,6.1 TCP/IP协议概述,16,嵌入式LINUX网络编程,3Socket基础编程 （1）函数说明 进行socket编程的基本函数有socket、bind 、listen、 accept 、send 、sendto、 recv、 recvfrom 这几个，其中对于客户端和服务器端以及TCP和UDP的操作流程都有所区别，这里先对每个函数进行一定的说明，再给出不同情况下使用的流程图。 Socket:该函数用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。在建立了socket连接之后，可对socketadd和sockaddr_in进行初始化，以保存所建立的
