第七章-嵌入式Linux网络编程.ppt

华清远见教育集团嵌入式应用程序设计第七章 嵌入式LinuxLinux网络编程华清远见教育集团 7.1 TCP/IP概述7.2 网络编程基础知识7.3 网络高级编程7.5 实验内容：NTP的客户端实现7.6 小结7.7 思考与练习2本章课程：本章课程：华清远见教育集团7.1 TCP/IP7.1 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3华清远见教育集团7.1.1 TCP/IP7.1.1 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。4华清远见教育集团7.1.1 TCP/IP7.1.1 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华清远见教育集团 7.1.1 TCP/IP7.1.1 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，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。6华清远见教育集团7.1.1 TCP/IP7.1.1 TCP/IP的分层模型 传输层（Transport Layer）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。7华清远见教育集团7.1.2 TCP/IP7.1.2 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。8华清远见教育集团7.1.2 TCP/IP7.1.2 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华清远见教育集团 7.1.2 TCP/IP7.1.2 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、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华清远见教育集团 7.1.3 TCP/IP7.1.3 TCP/IP核心协议在TCP/IP协议族中，有很多种协议。11华清远见教育集团 7.1.3 TCP/IP7.1.3 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华清远见教育集团 7.1.3 TCP/IP7.1.3 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。13华清远见教育集团7.1.3 TCP/IP7.1.3 TCP/IP核心协议 三次握手14华清远见教育集团7.1.3 TCP/IP7.1.3 TCP/IP核心协议TCP数据包头TCP数据包头格式：15华清远见教育集团7.1.3 TCP/IP7.1.3 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华清远见教育集团 7.1.3 TCP/IP7.1.3 TCP/IP核心协议UDP数据包头17华清远见教育集团7.1.3 TCP/IP7.1.3 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。18华清远见教育集团7.2 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19华清远见教育集团7.2.1 7.2.1 套接字(socket)(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。20华清远见教育集团7.2.1 7.2.1 套接字(socket)(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华清远见教育集团 7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理地址结构处理struct sockaddr 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地址和端口号。*/;struct sockaddr_in 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。22华清远见教育集团 7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理sa_family字段可选的常见值：23华清远见教育集团 7.2.2 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24华清远见教育集团 7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理数据存储优先顺序函数语法：25华清远见教育集团 7.2.2 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。26华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理 inet_pton()函数格式：27华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理 inet_ntop()函数格式：28华清远见教育集团7.2.2 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gethostbyaddr()根据主机地址取得主机信息getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址 29华清远见教育集团 7.2.2 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 hostentstruct 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*/30华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换getaddrinfo()函数涉及到一个addrinfo的结构体 struct addrinfostruct addrinfo int ai_flags;/*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME;*/int ai_family;/*地址族*/int ai_socktype;/*socket类型*/int ai_protocol;/*协议类型*/size_t ai_addrlen;/*地址字节长度*/char*ai_canonname;/*主机名*/struct sockaddr*ai_addr;/*socket结构体*/struct addrinfo*ai_next;/*下一个指针链表*/31华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换gethostbyname()函数语法：32华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理 名字地址转换getaddrinfo()函数语法：33华清远见教育集团 7.2.2 7.2.2 地址及顺序处理名字地址转换addrinfo常见选项：34华清远见教育集团7.2.2 7.2.2 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。35华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程函数说明socket()创建套接字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36华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程使用TCP时Socket编程37华清远见教育集团 7.2.3 7.2.3 套接字编程使用UDP时Socket编程38华清远见教育集团 7.2.3 7.2.3 套接字编程socket()函数语法：39华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程bind()函数语法：40华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程listen()函数语法：41华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程accept()函数语法：42华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程connect()函数语法：43华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程send()函数语法：44华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程recv()函数语法：45华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程sendto()函数语法：46华清远见教育集团7.2.3 7.2.3 套接字编程recvfrom()函数语法：47华清远见教育集团 非阻塞和异步I/O 在socket编程中可以使用函数fcntl(int fd,int cmd,int arg)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 flagflag=fcntl(sockfd,F_GETFL,0);flag|=O_NONBLOCK;fcntl(sockfd,F_SETFL,flag);487.3 网络高级编程华清远见教育集团 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。497.3 网络高级编程华清远见教育集团 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。507.4 实验内容：NTP的客户端实现华清远见教育集团7.5 7.5 实验内容NTPNTP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Network Time Protocol（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。51华清远见教育集团7.5 7.5 实验内容NTPNTP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：52华清远见教育集团7.5 7.5 实验内容NTPNTP协议的客户端实现实验步骤 53华清远见教育集团7.6 7.6 小结 本章首先概括地讲解了OSI分层结构以及TCP/IP各层的主要功能，介绍了常见的TCP/IP协议簇，并且重点讲解了网络编程中需要用到的TCP和UDP，为嵌入式Linux的网络编程打下良好的基础。之后本章介绍了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，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。再接下来，详细讲解了一个比较完整的综合实例：Web服务器。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。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。54华清远见教育集团7.6 7.6 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。55华清远见教育集团谢谢THANKS谢谢THANKS海量视频 贴身学习超多干货 实时更新5656