《嵌入式Linux系统开发与应用 教学课件 ppt 作者 康维新 第4章 嵌入式Linux网络编程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式Linux系统开发与应用 教学课件 ppt 作者 康维新 第4章 嵌入式Linux网络编程（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 嵌入式Linux网络编程,第4章 嵌入式Linux网络编程,本章将介绍嵌入式Linux网络编程的基础知识。由于网络在嵌入式应用系统中的应用非常广泛，基本上常见的应用都会与网络有关，因此，掌握这一部分的内容是非常重要的。经过本章的学习，读者将会掌握 TCP/IP协议的基础知识、嵌入式 Linux网络编程方法、能够独立编写客户端、服务器端的通信程序。,4.1 TCP/IP协议概述,一个完整的网络需要一系列网络协议构成一套完整的网络协议集，大多数网络在设计时，是将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次，然后针对每个层次及每个层次间的关系制定相应的协议。这样可以减少协议设计的复杂性。像这样
2、的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。网络技术在发展过程中曾出现过多种网络体系结构，没有统一的网络体系结构标准，不能适应信息社会日益发展的需要。若要实现更大范围的信息交换与共享，把不同体系结构的计算机网络互联起来将十分困难。因而计算机网络的发展在客观上提出了网络体系结构标准化的需求。 在此背景下，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）在1979年正式颁布了一个称为开放系统互联基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection/ Reference Module）的国际网络体系结构
3、标准，这是一个定义连接异构计算机的标准体系结构。,4.1.1 OSI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，从上到下共分为7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。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，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TCP/IP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
4、和OSI协议参考模型的对应关系如下图4.1所示。,4.1.1 OSI参考模型与TCP/IP参考模型,图4.1 OSI模型和TCP/IP参考模型对应关系,4.1.2 TCP/IP协议族,图4.2 TCP/IP协议族,4.1.2 TCP/IP协议族,ARP：用于获得同一物理网络中的硬件主机地址。 MPLS：多协议标签协议，是很有发展前景的下一代网络协议。 IP：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。 ICMP：用于发送报告有关数据包的传送错误的协议。 IGMP：被IP主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员的协议。 TCP：为应用程序提供可靠的通信连接。适合于一次传输大批数据的情况。并适用于要求
5、得到响应的应用程序。 UDP：提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠的保证。适合于一次传输少量数据，可靠性则由应用层来负责。,4.1.3 TCP和UDP,TCP 同其他任何协议栈一样，TCP向相邻的高层提供服务。因为TCP的上一层就是应用层，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，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/目的可以惟一地区分网络中两个设备的关联，通过socket的源/目
6、的可以惟一地区分网络中两个应用程序的关联。,4.1.3 TCP和UDP,下面描述了这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。,图4.3 TCP三次握手协议,4.1.3 TCP和UDP,TCP数据包头,图4.4 TCP数据报头的格式,4.1.3 TCP和UDP,源端口、目的端口：16位长。标识出远端和本地的端口号。 序号：32位长。标识发送的数据报的顺序。 确认号：32
7、位长。希望收到的下一个数据报的序列号。 TCP头长：4位长。表明TCP头中包含多少个32位字。 6位未用。 ACK：ACK为1，表明确认号是合法的。如果ACK为0，那么数据报不包含确认信息，确认字段被省略。 PSH：表示是带有PUSH标志的数据。接收方因此请求数据报一到便可送往应用程序而不必等到缓冲区装满时才传送。 RST：用于复位由于主机崩溃或其他原因而出现的错误的连接。还可以用于拒绝非法的数据报或拒绝连接请求。 SYN：用于建立连接。 FIN：用于释放连接。 窗口大小：16位长。窗口大小字段表示在确认了字节之后还可以发送多少个字节。 校验和：16位长。是为了确保高可靠性而设置的。它校验头部
8、、数据和伪TCP头部之和。 可选项：0个或多个32位字。包括最大TCP载荷，窗口比例、选择重发数据报等选项。,4.1.3 TCP和UDP,UDP,UDP即用户数据报协议，它是一种无连接协议，因此不需要像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协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是在网络质量越来越高的今天，UDP的应用得到了大大的增强。它比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
9、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。,4.1.3 TCP和UDP,UDP数据包头,源地址、目的地址：16位长。标识出远端和本地的端口号。 数据报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（又称为数据负载）。,图4.5 UDP数据包头,4.1.3 TCP和UDP,协议的选择 协议的选择应该考虑到以下3个方面。 （1）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的，而对数据的可靠性要求不那么高的应用可选择UDP传送。 （2）应用的实时性 由于TCP协议在传送
10、过程中要进行三次握手、重传确认等手段来保证数据传输的可靠性。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，如VOIP、视频监控等。相反，UDP协议则在这些应用中能发挥很好的作用。 （3）网络的可靠性 由于TCP协议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用TCP协议（如在广域网等情况），但是若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协议来减少网络负荷。,4.2 网络编程基础,4.2.1 socket概述,1socket定义 在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。
11、人们常说的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。,4.2.1 socket概述,2socket类型 常见的socket有3种类型。 （1）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。 （2）数据
12、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，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP。 （3）原始socket 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。,4.2.1 socket概述,3、地址结构相关处理,（1）数据结构介绍 下面首先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。 struct sockaddr unsigned short sa_family; /*地址族*/ ch
13、ar 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*/ 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
14、该socket进行适当的操作了。,4.2.1 socket概述,（2）结构字段,4.2.1 socket概述,4、数据存储优先顺序,（1）函数说明 计算机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。这里用到了四个函数：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，这里的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。,4.2.1 socket
15、概述,（2）函数格式说明,4.2.1 socket概述,5地址格式转化,（1）函数说明 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，这就需要将这两个数值进行转换。这里在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，本书讲解的函数都能够同时兼容IPv4和IPv6，但在具体举例时仍以IPv4为例。 这里inet_pton函数是将点分十进制地址映射为二
16、进制地址，而inet_ntop是将二进制地址映射为点分十进制地址。,4.2.1 socket概述,（2）函数格式,4.2.1 socket概述,4.2.1 socket概述,6名字地址转化,（1）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次记忆那么长的IP地址了。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gethostbyname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地址和IPv6地址。,4.2.1 socket概述,gethostbyname和gethostbyaddr都涉及到一个hostent的结构体 Struct hostent char *h_name;/*正式
