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1、嵌入式应用程序设计嵌入式应用程序设计第七章 嵌入式Linux网络编程 7.1TCP/IP概述7.2网络编程基础知识7.3网络高级编程7.4Web服务器7.5 实验内容7.6小结7.7思考与练习本章课程：本章课程：27.1 TCP/IP概述7.1.1TCP/IP的分层模型7.1.2TCP/IP的分层模型特点7.1.3TCP/IP核心协议37.1.1 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，但在实际中却得不到广泛的应用，其重要
2、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。47.1.1 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：5 7.1.1 TCP/IP的分层模型网络接口层（NetworkInterfaceLayer）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（InternetLayer）网络层负责在主机之间的通信中选择数据报的传输路径，即路由。当网络层接收到传输层的请求后，传输某
3、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。67.1.1 TCP/IP的分层模型 传输层（TransportLayer）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
4、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（ApplicationLayer）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。77.1.2 TCP/IP的分层模型特点TCP/IP模型边界特性
5、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。87.1.2 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
6、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。9 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
7、、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。10 7.1.3 TCP/IP核心协议在TCP/IP协议族中，有很多种协议。11 7.1.3 TCP/IP核心协议TCPTCP的上一层是应用层，TCP向应用层提供可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
8、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。12 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
9、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。137.1.3 TCP/IP核心协议 三次握手147.1.3 TCP/IP核心协议TCP数据包头TCP数据包头格式：157.1.3 TCP/IP核心协议 UDPUDP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
10、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。16 7.1.3 TCP/IP核心协议UDP数据包头177.1.3 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
11、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。187.2 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197.2.1 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，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
12、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。207.2.1 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
13、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。21 7.2.2 地址及顺序处理地址结构处理struct sockaddr unsignedshortsa_family;/*地址族*/charsa_data14;/*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/;struct sockaddr_in shortintsa_family;/*地址族*/unsignedshortintsin_port;/*端口号*/structin_addrsin_addr;/*IP
14、地址*/unsignedcharsin_zero8;/*填充0以保持与structsockaddr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。22 7.2.2 地址及顺序处理sa_family字段可选的常见值：23 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
15、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24 7.2.2 地址及顺序处理数据存储优先顺序函数语法：25 7.2.2 地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
16、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。267.2.2 地址及顺序处理 inet_pton()函数格式：277.2.2 地址及顺序处理 inet_ntop()函数格式：287.2.2 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gethostbyaddr()根据主机地址取
17、得主机信息getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址29 7.2.2 地址及顺序处理名字地址转换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*/inth_addrtype;/*地址类型*/inth_length;/*地址字节长度*/char*h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/307.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换getaddrinfo()函数涉及到一个addrinf
18、o的结构体struct addrinfo intai_flags;/*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME;*/intai_family;/*地址族*/intai_socktype;/*socket类型*/intai_protocol;/*协议类型*/size_tai_addrlen;/*地址字节长度*/char*ai_canonname;/*主机名*/structsockaddr*ai_addr;/*socket结构体*/structaddrinfo*ai_next;/*下一个指针链表*/317.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换gethostbyname()函数语法：327.2
19、.2 地址及顺序处理 名字地址转换getaddrinfo()函数语法：33 7.2.2 地址及顺序处理名字地址转换addrinfo常见选项：347.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换注意：通常服务器端在调用getaddrinfo()之前，ai_flags设置AI_PASSIVE，用于bind()函数（用于端口和地址的绑定，后面会讲到），主机名nodename通常会设置为NULL。客户端调用getaddrinfo()时，ai_flags一般不设置AI_PASSIVE，但是主机名nodename和服务名servname（端口）则应该不为空。357.2.3 套接字编程函数说明socket()创建套
20、接字bind()绑定本机端口connect()建立连接listen()监听端口accept()接受连接recv(),read(),recvfrom()数据接收send(),write(),sendto()数据发送close(),shutdown()关闭套接字367.2.3 套接字编程使用TCP时Socket编程37 7.2.3 套接字编程使用UDP时Socket编程38 7.2.3 套接字编程socket()函数语法：397.2.3 套接字编程bind()函数语法：407.2.3 套接字编程listen()函数语法：417.2.3 套接字编程accept()函数语法：427.2.3 套接字编程
21、connect()函数语法：437.2.3 套接字编程send()函数语法：447.2.3 套接字编程recv()函数语法：457.2.3 套接字编程sendto()函数语法：467.2.3 套接字编程recvfrom()函数语法：47 非阻塞和异步I/O在socket编程中可以使用函数fcntl(intfd,intcmd,intarg)的如下的编程特性。获得文件状态标志：将cmd设置为F_GETFL，会返回由fd指向的文件的状态标志。非阻塞I/O：将cmd设置为F_SETFL，将arg设置为O_NONBLOCK异步I/O：将cmd设置为F_SETFL，将arg设置为O_ASYNC示例：int
22、flagflag=fcntl(sockfd,F_GETFL,0);flag|=O_NONBLOCK;fcntl(sockfd,F_SETFL,flag);7.3网络高级编程48 使用多路复用使用fcntl()函数虽然可以实现非阻塞I/O或信号驱动I/O，但在实际使用时往往会对资源是否准备完毕进行循环测试，这样就大大增加了不必要的CPU资源的占用。在这里可以使用select()函数（或者使用poll()函数）来解决这个问题，同时，使用select()函数还可以设置等待的时间，可以说功能更加强大。7.3网络高级编程49 NTP的客户端实现实验目的通过实现NTP协议的练习，进一步掌握Linux网络编
23、程，并且提高协议的分析与实现能力，为完成综合性项目打下良好的基础。7.4实验内容507.4 Web服务器Internet的基本协议是TCP/IP协议，然而在TCP/IP模型最上层的是应用层。它包含文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、域名系统服务（DNS）、网络新闻传输协议（NNTP）和超文本传输协议（HTTP）等很多高层协议。本节将运用前面学到的知识编写一个简单功能的基于应用层HTTP协议的Web服务器。517.4.1 Web服务器的工作原理 客户端（浏览器）与Web服务器之间的交互主要包含客户的请求和服务器的应答。请求和应答的格式在超文本传输协议（HTTP）中有定义。HTT
24、P协议是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示(如文本先于图形)等。通常，由HTTP客户端发起一个请求，建立一个到服务器指定端口（默认是80端口）的TCP连接。HTTP服务器则在该端口监听客户端发送过来的请求。一旦收到请求，服务器（向客户端）发回一个状态行和响应的消息，消息的消息体可能是请求的文件、错误消息、或者其它一些信息。527.4.1 Web服务器的工作原理 1.HTTP请求HTTP请求信息格式如下所示：HTTP请求消息:=请求行实体头信息列表
25、CRLF实体内容请求行:=方法URLHTTP版本号CRLF方法:=GET|HEAD|POST|扩展方法URL:=协议名称宿主名目录与文件名实体头信息列表:=实体头信息1CLRF实体头信息2CLRF实体头信息nCLRF实体头信息:=头部字段名：值其中CRLF表示回车换行。请求行中的方法描述了对指定资源执行的动作，常用的方法GET、HEAD和POST等3种537.4.1 Web服务器的工作原理1.HTTP请求方法描述GET从WEB服务器中获取对象，不同类型的对象将获取不同的信息，比如：文件类型对象，获取该文件的内容。可运行程序类型对象，获取该程序执行的结果。数据库查询类型对象，获取该查询的结果。H
26、EAD要求服务器查找对象的元信息。POST从客户端向WEB服务器发送数据。547.4.1 Web服务器的工作原理2.HTTP应答Web服务器处理客户请求，并向客户机发送应答报文，HTTP协议的应答报文格式为如下所示。应答报文:=状态行实体头信息列表CRLF实体内容状态行=HTTP版本号状态码原因叙述实体头信息列表:=实体头信息1CLRF实体头信息2CLRF实体头信息nCLRF实体头信息:=头部字段名：值状态码描述了Web服务器执行客户机请求的状态信息557.4.1 Web服务器的工作原理2.HTTP应答状态码含义1XX保留2XX成功接收，比如“200”表示处理成功。3XX客户需进一步细化请求。
27、4XX客户错误，比如“404”表示访问的指定资源不存在。5XX服务器出错。567.4.1 Web服务器的工作原理Web服务器实际上是一个目录服务器的扩展，通过HTTP协议读取服务器相关目录上的内容。Web服务器通常需要具备3种用户操作：列举目录信息、显示文件内容和运行应用程序。Web服务器通过基于流的套接字连接，为客户提供上述3种操作。用户连接到服务器后，用户陆续发送请求，服务器会处理每条客户的请求信息并返回应答信息。577.4.1 Web服务器的工作原理从流程图可以看出，Web服务器和浏览器之间的通信流程为：客户端（用户的浏览器）向Web服务器发送连接请求，服务器会接收该请求，建立一个套接字
28、连接。服务器端陆续读取客户端的请求，进行相应的处理并返回应答信息客户端读取服务器端的应答信息，并将其按照各种格式显示在浏览器中（文本、图片、声音等内容）。587.4.2 Web服务器的编程实现服务器的编程实现本节中的Web服务器只支持GET命令，只接收请求行，跳过其余参数，然后处理请求和发送应答，主要循环如下：while(1)fd=accept(sock,NULL,NULL);/*接收请求*/fpin=fdopen(fd,r);fgets(request,BUFSIZ,fpin);/*读取客户端的请求*/ignore_others(fpin);/*跳过其他命令*/process_request
29、(request,fd);/*接收客户端的请求*/fclose(fpin);597.4.2 Web服务器的编程实现服务器的编程实现（1）建立客户端与服务器端的通信（2）处理请求（3）目录列表函数（4）运行可执行文件的函数（5）表示其他格式文件的内容（文本、网页、图片等）607.4.3 运行运行Web服务器服务器读者交叉编译web服务器程序，然后下载到目标板上，在某个端口上运行它，如下所示：#arm-linux-gcc web_server.c sock_lib.c o web_server（可以使用同目录下的Makefile）#./web_server 1234现在读者可以在主机上打开网页浏览
30、器（Filefox等）访问该Web服务器，网址为http:/目标板的IP地址:1234/。此时打开的主页上会列出当前web服务器程序所在的目录下的所有文件。接下来，分别将html文件、文本文件、jpg文件、cgi文件放到该目录中，并且在网页浏览器中输入“http:/目标板IP地址:1234/文件名（例如：myimage.jpg）”，则用户会发现不同类型的文件的显示方式。617.4.3 运行运行Web服务器服务器下面给出最简单的html文件和cgi文件（需要将cgi文件的权限改成可运行文件）的例子，以供参考。/*cgi文件的例子文件的例子*/#!/bin/shechoContent-type:t
31、ext/plainnnechoWelcometoWebServern/*html文件例子文件例子*/HelloWorldWelcometoWebServer627.5 实验内容NTP协议的客户端实现实验目的通过实现NTP协议的练习，进一步掌握Linux网络编程，并且提高协议的分析与实现能力，为参与完成综合性项目打下良好的基础实验内容NetworkTimeProtocol（NTP）协议是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等）做同步化，它可以提供高精确度的时间校正（LAN上与标准时间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可用加密确认的方式来防止恶毒的
32、协议攻击。NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间是按NTP服务器的等级传播。按照距离外部UTC源的远近将所有服务器归入不同的Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构并相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础
33、。637.5 实验内容NTP协议的客户端实现实验内容进行网络协议实现时最重要的是了解协议数据格式。NTP数据包有48个字节，其中NTP包头16字节，时间戳32个字节。NTP数据包格式：647.5 实验内容NTP协议的客户端实现实验步骤657.6 小结本章首先概括地讲解了OSI分层结构以及TCP/IP协议各层的主要功能，介绍了常见的TCP/IP协议族，并且重点讲解了网络编程中需要用到的TCP和UDP协议，为嵌入式Linux的网络编程打下良好的基础。接着本章介绍了socket的定义及其类型，并逐个介绍常见的socket相关的基本函数，包括地址处理函数、数据存储转换函数等，这些函数都是最为常用的函数
34、，要在理解概念的基础上熟练掌握。接下来介绍的是网络编程中的基本函数，这也是最为常见的几个函数，这里要注意TCP和UDP在处理过程中的不同。同时，本章还介绍了较为高级的网络编程，包括调用fcntl()和select()函数，这两个函数在前面的章节中都已经讲解过，但在本章中有特殊的用途。最后，本章以ping程序为例，讲解了常见协议的实现过程，读者可以看到一个成熟的协议是如何实现的。667.6 小结 本章的实验安排了实现一个比较简单但完整的NTP客户端程序，主要实现了其中数据收发的主要功能，以及时间同步调整的功能。本章讲解了嵌入式Linux网络开发的相关API函数。网络开发几乎已成为当今嵌入式Lin
35、ux应用开发必不可少的一部分，因此，希望读者能够切实掌握。本章首先介绍了TCP/IP层次模型的基本知识，并介绍了其中的重要协议，这些都是非常必要的基础知识。接下来，介绍了网络基础编程的相关API函数和几个高级网络编程议题，并介绍了常见的开发流程，希望读者能够认真学习这部分的内容，并通过实践，切实掌握。再接下来，详细讲解了两个比较完整的综合实例：Web服务器和NTP协议的客户端。这两个实例在Linux系统都是很常用的软件，小型Web服务器在嵌入式Linux开发中应用非常广泛，希望读者认真学习网络应用实例。677.6 思考与练习 1.分别用多线程和多路复用实现网络聊天程序。2.实现一个小型模拟的路由器，就是接收从某个IP地址的连接请求，再把该请求转发到另一个IP地址的主机上去。3.使用多线程来设计实现Web服务器。686969