嵌入式Linux网络编程

转载来自：http://blog.csdn.net/hongdongyu/article/details/8028194

一、TCP/IP协议

1、TCP/IP参考模型

TCP/IP协议模型遵循简单明确的设计思路，包括以下四层协议：

• 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受。数据帧是独立的网络信息传输单元。
• 网络层：负责将数据帧封装成IP数据包，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。传输协议的选择根据数据传输方式而定。
• 应用层：负责应用程序的网络访问，通过端口号来识别各个不同的进程。

2、TCP和UDP

1）TCP向相邻的高层提供服务。因为TCP上一层是应用层，因此，TCP数据传输实现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，来区分接受数据应用的目的地址和端口号。它允许数据同网络上的其他节点进行可靠的交换，它能提供端口编号的译码，以识别主机的应用程序，而且完成数据的可靠传输。TCP协议具有严格的内装差错检验算法确保数据的完整性，它是面向字节的顺序协议，这意味着包内的每个字节被分配一个顺序编号，并分配给每个包一个顺序编号。

2）UDP协议是一种无连接协议，不需要像TCP一样建立连接，一个UDP应用可同时作为应用的客户或服务器方。当接收数据时它不向发送方提供确认信息，如果出现丢失或重复的情况，也不会向发送方发出差错报文。由于它执行功能时具有较低的开销，因而执行速度比TCP快。

3、协议的选择

1）对数据要求高可靠性的应用选择TCP协议，如验证、密码字段的传送都是不许出错的，而对数据可靠性要求不那么高的可选择UDP传送。

2）TCP的传送会有较大的延迟，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发挥很好的作用。

3）TCP协议主要解决网络的可靠性问题，它通过各种机制减少错误发生的概率。因此，在网络状况不是很好的情况下用TCP协议，但是若在网络状况很好的情况下就不需要采用TCP协议，而是选择UDP协议来减少网络负荷。

二、网络基础编程

1、socket概述

Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的，它也是一种文件描述符。通过它不仅可以在本地机器上实现进程间的通信，而且通过网络能够在不同的机器上的进程之间进行通信。socket也有一个类似打开文件的函数调用，该函数返回一个整型的socket描述符，随后的连接建立等操作都是通过socket来实现的。

socket类型常见有以下三种：

• 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，保证了数据的正确性和顺序性。
• 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，而且不保证是可靠、无差错的。使用数据报协议UDP。
• 原始socket：允许对底层协议进行直接访问，功能强大但使用不便，主要用于一些协议的开发。

2、地址及顺序处理

1）地址结构相关处理

一种常用的用于保存网络地址的数据结构sockaddr_in，其结构如下：

struct sockaddr_in
{
      short int sin_family; /*地址族*/
      unsigned short int sin_port; /*端口号*/
      struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/
      unsigned char sin_zero[8]; /*填充0*/
};

该结构sin_family字段可选常见值：

AF_INET：IPv4协议

AF_INET6：IPv6协议

AF_LOCAL：UNIX域协议

AF_LINK：链路地址协议

AF_KEY：密钥套接字

2）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（大端模式）和低位字节优先（小段模式）。Internet上以高位字节优先的顺序在网络传输，而PC机通常采用小端模式，因此有时候需要对两个字节存储优先顺序进行转换。用到了4个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。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，而IP地址用l。

3）地址格式转换

IP地址通常由数字加点（192.168.0.1）的形式表示，而在struct in_addr中使用的IP地址是由32位整数表示，为了转换可以使用下面三个函数：

int inet_aton(const char *cp,struct in_addr *inp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

其中inet_aton将a.b.c.d形式的IP转换为32位的IP，存储在inp指针里面；inet_ntoa是将32位IP转换为a.b.c.d的格式；inet_addr将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数。

4）名字地址转换

通常，人们在使用过程中不愿记忆冗长的IP地址，因此，使用主机名是很好的选择。gethostbyname()将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr()则是逆操作，将IP地址转换为主机名。它们都涉及到一个hostent的结构体，如下：

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; /*地址字节长度*/
      char **h_addr_list; /*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/
};

 我们调用gethostbyname()或者gethostbyaddr()后就能返回hostent结构体的相关信息。

三、socket基础编程

1、相关函数介绍

socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、sent()、sendto()、recv()、以及recvfrom()等，具体介绍如下：

• socket()：用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。建立之后，可对sockaddr或sockaddr_in结果进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。

•  bind()：用于将本地IP地址绑定到端口号。

• listen()：在服务程序成功建立套接字和地址进行绑定后，调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。

• accept()：服务器调用listen()创建等待队列之后，调用accept()等待并接收客户端的连接请求。通常从由bind()所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。

• connect()：用于bind()之后的client端，用于与服务器端建立连接。

• send()和recv()：这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP或者UDP中。用在UDP时可以在connect()建立连接之后再用。

 

• sendto()和recvfrom()：作用与前两个类似，当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，等同于send()、recv()；用在UDP时，可用在之前没有使用connect的情况下，这两个函数可自动寻找指定地址并进行连接。

2、流程及流程图

基于TCP-服务器：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口信息到socket上—>listen()设置允许最大连接数—>accept()等待来自客户端的连接请求—>send()、recv()或者read()、write()收发数据—>关闭连接。

基于TCP-客户端：创建socket()—>设置要连接的服务器IP地址和端口等属性—>connect()连接服务器—>send()、recv()或read()、write()收发数据—>关闭网络连接。

基于UDP-服务器：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口等信息到socket上—>循环接受数据，用recvfrom()—>关闭网络连接。

基于UDP-客户端：创建socket()—>bind()绑定IP地址、端口等信息到socket上—>设置对方IP地址和端口信息—>sendto()发送数据—>关闭网络连接。

四、服务器类型

循环服务器：服务器在同一时间只能响应一个客户端的请求。

并发服务器：服务器在同一时刻可以响应多个客户端的请求。

UDP循环服务器

socket(...);
bind(...);
while(1)
{
   recvfrom(...);
   process(...);
   sendto(...);
}

TCP循环服务器

socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{
   accept(...);
   process(...);
   close(...);
}

TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求，只有这个客户的所有请求都满足后，才可以继续后面的请求。这样如果一个客户端占住服务器不放，其他的客户都不能工作，所以TCP服务器一般很少用循环服务器模型。而UDP循环服务器可以同时相应多个客户端的请求。

TCP并发服务器

socket(...);
bind(...);
listen(...);
while(1)
{
   accept(...);
   if(fork()==0)
     {
        process(...);
        close(...);
        exit(...);
     }
     close(...);
}

并发服务器的思想是每一个客户端的请求并不由服务器直接处理，而是有服务器创建一个子进程或者线程来处理。

五、使用实例

/*server_thread.c*/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <netdb.h>
#include <pthread.h>

//线程执行函数负责读写
void *thr_fn(void *arg)
{
    int size,j;
    char recv_buf[1024];
    int *parg=(int *)arg;
    int new_fd=*parg;
    printf("new_fd=%d\n",new_fd);
    while((size=read(new_fd,recv_buf,1024))>0)
    {
        if(recv_buf[0]=='@')
            break;
        printf("Message from client(%d): %s\n",size,recv_buf);
        for(j=0;j<size;j++)
            recv_buf[j]=toupper(recv_buf[j]);
        write(new_fd,recv_buf,size);
    }
    close(new_fd);
    return 0;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    socklen_t clt_addr_len;
    int listen_fd;
    int com_fd;
    int ret;
    int i;
    static char recv_buf[1024];
    int len;
    int port;
    pthread_t tid;

    struct sockaddr_in clt_addr;
    struct sockaddr_in srv_addr;

    //服务器端运行时要给出端口信息，该端口为监听端口
    if(argc!=2)
    {
        printf("Usage:%s port\n",argv[0]);
        return 1;
    }

    //获得输入的端口
    port=atoi(argv[1]);

    //创建套接字用于服务器的监听
    listen_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listen_fd<0)
    {
        perror("cannot create listening socket");
        return 1;
    }

    //填充关于服务器的套节字信息
    memset(&srv_addr,0,sizeof(srv_addr));
    srv_addr.sin_family=AF_INET;
    srv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    srv_addr.sin_port=htons(port);


    //将服务器和套节字绑定
    ret=bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&srv_addr,sizeof(srv_addr));
    if(ret==-1)
    {
        perror("cannot bind server socket");
        close(listen_fd);
        return 1;
    }

    //监听指定端口，连接5个客户端
    ret=listen(listen_fd,5);
    if(ret==-1)
    {
        perror("cannot listen the client connect request");
        close(listen_fd);
        return 1;
    }
    //对每个连接来的客户端创建一个线程，单独与其进行通信
    //首先调用read函数读取客户端发送来的信息
    //将其转换成大写后发送回客户端
    //当输入“@”时，程序退出
    while(1)
    {
        len=sizeof(clt_addr);
        com_fd=accept(listen_fd,(struct sockaddr *)&clt_addr,&len);
        if(com_fd<0)
        {
            if(errno==EINTR)
            {
                continue;
            }
            else
            {
                perror("cannot accept client connect request");
                close(listen_fd);
                return 1;
            }
        }
        printf("com_fd=%d\n",com_fd);//打印建立连接的客户端产生的套节字
        if((pthread_create(&tid,NULL,thr_fn,&com_fd))==-1)
        {
            perror("pthread_create error");
            close(listen_fd);
            close(com_fd);
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <netdb.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
    int connect_fd;
    int ret;
    char snd_buf[1024];
    int i;
    int port;
    int len;

    static struct sockaddr_in srv_addr;

    //客户端运行需要给出具体的连接地址和端口
    if(argc!=3)
    {
        printf("Usage: %s server_ip_address port\n",argv[0]);
        return 1;
    }

    //获得输入的端口
    port=atoi(argv[2]);

    //创建套节字用于客户端的连接
    connect_fd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(connect_fd<0)
    {
        perror("cannot create communication socket");
        return 1;
    }

    //填充关于服务器的套节字信息
    memset(&srv_addr,0,sizeof(srv_addr));
    srv_addr.sin_family=AF_INET;
    srv_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    srv_addr.sin_port=htons(port);

    //连接指定的服务器
    ret=connect(connect_fd,(struct sockaddr *)&srv_addr,sizeof(srv_addr));
    if(ret==-1)
    {
        perror("cannot connect to the server");
        close(connect_fd);
        return 1;
    }

    memset(snd_buf,0,1024);
    //用户输入信息后，程序将输入的信息通过套接字发送给服务器
    //然后调用read函数从服务器中读取发送来的信息
    //当输入“@”时，程序退出
    while(1)
    {
        write(STDOUT_FILENO,"input message:",14);
        len=read(STDIN_FILENO,snd_buf,1024);
        if(len>0)
            write(connect_fd,snd_buf,len);
        len=read(connect_fd,snd_buf,len);
        if(len>0)
            printf("Message form server: %s\n",snd_buf);
        if(snd_buf[0]=='@')
            break;
    }
    close(connect_fd);
    return 0;
}