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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《嵌入式 Linux 应用程序开发详解》——第 10 章、嵌入式 Linux 网络编程

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。