嵌入式Linux应用程序开发详解-第10章(嵌入式Linux网络编程)

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“黑色经典”系列之《嵌入式 Linux 应用程序开发详解》

第 10 章 嵌入式 Linux 网络编程

本章目标

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，读者将会掌握以下内容。

掌握嵌入式 Linux 高级网络编程

分析理解 Ping 源代码

能够独立编写客户端、服务器端的通信程序

能够独立编写 NTP 协议实现程序

掌握 TCP/IP 协议的基触知识

掌握嵌入式 Linux 基础网络编程

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10.1 TCP/IP 协议概述

10.1.1 OSI 参考模型及 TCP/IP 参考模型

读者一定都听说过著名的 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 的协议参考模型和 OSI 协议参考 模型的对应关系如下图 10.1 所示。

下面分别对者 TCP/IP 的 4 层模型进行简要介绍。

图 10.1 OSI 模型和 TCP/IP 参考模型对应关系

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。要注意的 是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。传输协议的选择根据数据传输方式 而定。

应用层：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。

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10.1.2 TCP/IP 协议族

虽然 TCP/IP 名称只包含了两个协议，但实际上，TCP/IP 是一个庞大的协议族，它包括 了各个层次上的众多协议，图 10.2 列举了各层中一些重要的协议，并给出了各个协议在不同

层次中所处的位置如下。

图 10.2 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，

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可靠性则由应用层来负责。

10.1.3 TCP 和 UDP

在此主要介绍在网络编程中涉及到的传输层 TCP 和 UDP 协议。 1．TCP

（1）概述

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 的可以惟一地区分网络中两个应用程序的关联。

（2）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。

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 10.3 就是这个流程的简单示意图。

SYN J SYN K, ACK J+1

ACK K+1

图 10.3 TCP 三次握手协议

TCP 实体所采用的基本协议是滑动窗口协议。当发送方传送一个数据报时，它将启动计 时器。当该数据报到达目的地后，接收方的 TCP 实体向回发送一个数据报，其中包含有一个 确认序号，它意思是希望收到的下一个数据报的顺序号。如果发送方的定时器在确认信息到 达之前超时，那么发送方会重发该数据报。

（3）TCP 数据报头

图 10.4 给出了 TCP 数据报头的格式。

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TCP 数据报头的含义如下所示。

源端口、目的端口：16 位长。标识出远端和本地的端口号。

图 10.4 TCP 数据报头的格式

序号：32 位长。标识发送的数据报的顺序。

确认号：32 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 位置 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、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。

2．UDP

（1）概述

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。

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