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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 TCP/IP 协议的基触知识
掌握嵌入式 Linux 基础网络编程
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
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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。
TCP/IP
参考模型
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
应用层
传输层
网络层
网络接口层
OSI
参考模型
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。
telnet
ftp
IPv4
、
IPv6
ARP
、
RARP
MPLS
IGMP
ICMP
TCP UDP
应用层
传输层
网络层
网络接口层
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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