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1、嵌入式应用程序设计 第七章 嵌入式Linux网络编程,2,7.1 TCP/IP概述 7.2 网络编程基础知识 7.3 网络高级编程 7.4 Web服务器 7.5 实验内容 7.6 小结 7.7 思考与练习,本章课程：,3,7.1 TCP/IP概述,7.1.1 TCP/IP的分层模型 7.1.2 TCP/IP的分层模型特点 7.1.3 TCP/IP核心协议,4,7.1.1 TCP/IP的分层模型,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，它分为7个层次：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。这个7层的协议模型虽然规定得非常细致和完善，但在实际中却
2、得不到广泛的应用，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模型的基础。与此相区别的TCP/IP协议模型将OSI的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。,5,7.1.1 TCP/IP的分层模型,TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对应关系如下图 ：,6,7.1.1 TCP/IP的分层模型,网络接口层（Network Interface Layer） 网络接口层是TCP/IP协议软件的最底层，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。数据帧是网络传输的基本单元。 网络层（Internet Layer） 网络层负责在主机之间的通信中选择数据报的传输路径
3、，即路由。当网络层接收到传输层的请求后，传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装在IP数据报中，填入数据报的首部，使用路由算法来确定是直接交付数据报，还是把它传递给路由器，然后把数据报交给适当的网络接口进行传输。 网络层还要负责处理传入的数据报，检验其有效性，使用路由算法来决定应该对数据报进行本地处理还是应该转发。 如果数据报的目的机处于本机所在的网络，该层软件就会除去数据报的首部，再选择适当的运输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接收ICMP（Internet控制报文协议）差错和控制报文。,7,7.1.1 TCP/IP的分层模型,传输层（Transport Layer
4、） 传输层负责提供应用程序之间的通信服务。这种通信又称为端到端通信。传输层要系统地管理信息的流动，还要提供可靠的传输服务，以确保数据到达无差错、无乱序。为了达到这个目的，传输层协议软件要进行协商，让接收方回送确认信息及让发送方重发丢失的分组。传输层协议软件把要传输的数据流划分为分组，把每个分组连同目的地址交给网络层去发送。 应用层（Application Layer） 应用层是分层模型的最高层，在这个最高层中，用户调用应用程序通过TCP/IP互联网来访问可行的服务。与各个传输层协议交互的应用程序负责接收和发送数据。每个应用程序选择适当的传输服务类型，把数据按照传输层的格式要求封装好向下层传输。
5、,8,7.1.2 TCP/IP的分层模型特点,TCP/IP模型边界特性 TCP/IP分层模型中有两大边界特性：一个是地址边界特性，它将IP逻辑地址与底层网络的硬件地址分开；一个是操作系统边界特性，它将网络应用与协议软件分开 。,9,7.1.2 TCP/IP的分层模型特点,IP层特性 IP层作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制，但IP协议并不能保证IP报文传递的可靠性，IP的机制是点到点的。用IP进行通信的主机或路由器位于同一物理网络，对等机器之间拥有直接的物理连接。 TCP/IP设计原则之一是为包容各种物理网络技术，包容性主要体现在IP层中。各种物理网络技术在帧或报文格式、地址格式
6、等方面差别很大，TCP/IP的重要思想之一就是通过IP将各种底层网络技术统一起来，达到屏蔽底层细节，提供统一虚拟网的目的。 IP向上层提供统一的IP报文，使得各种网络帧或报文格式的差异性对高层协议不复存在。IP层是TCP/IP实现异构网互联最关键的一层。,10,7.1.2 TCP/IP的分层模型特点,TCP/IP的可靠性特性 在TCP/IP网络中，IP采用无连接的数据报机制，对数据进行“尽力而为”的传递机制，即只管将报文尽力传送到目的主机，无论传输正确与否，不做验证，不发确认，也不保证报文的顺序。TCP/IP的可靠性体现在传输层协议之一的TCP协议。TCP协议提供面向连接的服务，因为传输层是端
7、到端的，所以TCP/IP的可靠性被称为端到端可靠性。 TCP/IP的特点就是将不同的底层物理网络、拓扑结构隐藏起来，向用户和应用程序提供通用、统一的网络服务。这样，从用户的角度看，整个TCP/IP互联网就是一个统一的整体，它独立于具体的各种物理网络技术，能够向用户提供一个通用的网络服务。 TCP/IP网络完全撇开了底层物理网络的特性，是一个高度抽象的概念，正是由于这个原因，其为TCP/IP网络赋予了巨大的灵活性和通用性。,11,7.1.3 TCP/IP核心协议,在TCP/IP协议族中，有很多种协议 。,12,7.1.3 TCP/IP核心协议,TCP TCP的上一层是应用层，TCP向应用层提供可
8、靠的面向对象的数据流传输服务，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。它能提供高可靠性通信(即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信。)，应用程序通过向TCP层提交数据接发送/收端的地址和端口号而实现应用层的数据通信。 通过IP的源/目的可以唯一的区分网络中两个设备的连接，通过socket的源/目的可以唯一的区分网络中两个应用程序的连接。,13,7.1.3 TCP/IP核心协议,三次握手 TCP是面向连接的，所谓面向连接，就是当计算机双方通信时必需先建立连接，然后进行数据通信，最后拆除连接三个过程。TCP在建立连接时又分三步走： 第一步（A-B）：主机A向
9、主机B发送一个包含SYN即同步（Synchronize）标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号； 第二步（B-A）：主机B在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示主机B的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgement）。 第三步（A-B）：主机A也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。,14,7.1.3 TCP/IP核心协议,三次握手,15,7.1.3 TCP/IP核心协议,TCP数据包头 TCP数据包头格式：,16,7.1.3 TCP/IP核心协议,UD
10、P UDP即用户数据报协议，是一种面向无连接的不可靠传输协议，不需要通过3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比TCP协议更为高效，也能更好地解决实时性的问题，如今，包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都使用UDP协议。,17,7.1.3 TCP/IP核心协议,UDP数据包头,18,7.1.3 TCP/IP核心协议,协议选择 协议的选择应该考虑到数据可靠性、应用的实时性和网络的可靠性。 对数据可靠性要求高的应用需选择TCP协议，而对数据的可
11、靠性要求不那么高的应用可选择UDP传送。 TCP协议中的3次握手、重传确认等手段可以保证数据传输的可靠性，但使用TCP协议会有较大的时延，因此不适合对实时性要求较高的应用；而UDP协议则有很好的实时性。 网络状况不是很好的情况下需选用TCP协议（如在广域网等情况)，网络状况很好的情况下选择UDP协议可以减少网络负荷。,19,7.2 网络基础编程,7.2.1 套接字(socket)概述 7.2.2 地址及顺序处理 7.2.3 套接字编程,20,7.2.1 套接字(socket)概述,套接字定义 在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。套接字（socket）是一种特殊的I/O接口，
12、它也是一种文件描述符。socket是一种常用的进程之间通信机制，通过它不仅能实现本地机器上的进程之间的通信，而且通过网络能够在不同机器上的进程之间进行通信。 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、远程地址、远程端口来表示。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。,21,7.2.1 套接字(socket)概述,套接字类型 流式套接字（SOCK_STREAM） 流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用
13、TCP协议，从而保证了数据传输的可靠性和顺序性。 数据报套接字（SOCK_DGRAM） 数据报套接字定义了一种无可靠、面向无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。 原始套接字（SOCK_RAW） 原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。,22,7.2.2 地址及顺序处理,地址结构处理 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
14、址和端口号。*/ ; struct sockaddr_in short int sa_family; /*地址族*/ unsigned 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*/ ; 这两个数据类型是等效的，可以相互转化，通常sockaddr_in数据类型使用更为方便。在建立socketadd或sockaddr_in后，就可以对该socket进行适当的操作了。,23,7.2.2 地址及顺序处理,sa_f
15、amily字段可选的常见值：,24,7.2.2 地址及顺序处理,数据存储优先顺序 计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先（称为大端模式）和低位字节优先（称为小端模式，PC机通常采用小端模式）。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。 htonl() 4字节主机字节序转换为网络字节序 ntohl() 4字节网络字节序转换为主机字节序 htons() 2字节主机字节序转换为网络字节序 ntohs() 2字节网络字节序转换为主机字节序,25,7.2.2 地址及顺序处理,数据存储优先顺序 函数语法：,26,7.2.2 地
16、址及顺序处理,地址格式转化 用户在表达地址时通常采用点分十进制表示的数值字符串（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的socket编程中所使用的则是二进制值（例如，用in_addr结构和in6_addr结构分别表示IPv4和IPv6中的网络地址），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()。inet_pton()函数是将点分十进制地址字符串转换为二进制地址而inet_ntop()是inet_pton()的反操向作，将二进制地址转换为点分十进制地址字符串。,27,7.2.2 地址及顺序处理,inet_pton()函数格式：,28,7.2.2 地址及顺序处理,inet_ntop()函数格式：,29,7.2.2 地址及顺序处理,名字地址转换 gethostbyname() 根据主机名取得主机信息 ge
