上一篇我們基于LwIP協(xié)議棧的RAW API實現(xiàn)了一個TCP服務(wù)器的簡單應(yīng)用,接下來一節(jié)我們來實現(xiàn)一個TCP客戶端的簡單應(yīng)用。
1 、 TCP****簡述
TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議,由IETF的RFC 793定義。在簡化的計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中,它完成第四層傳輸層所指定的功能,與用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)是同一層內(nèi)的,另一個重要的傳輸協(xié)議。在因特網(wǎng)協(xié)議族(Internet protocol suite)中,TCP層是位于IP層之上,應(yīng)用層之下的中間層。不同主機的應(yīng)用層之間經(jīng)常需要可靠的、像管道一樣的連接,但是IP層本身不提供這樣的流機制,而是提供不可靠的包交換,恰好TCP協(xié)議不足了這一應(yīng)用需求。
應(yīng)用層向TCP層發(fā)送用于網(wǎng)間傳輸?shù)?、?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流,然后TCP把數(shù)據(jù)流分區(qū)成適當長度的報文段。之后TCP把結(jié)果包傳給IP層,由它來通過網(wǎng)絡(luò)將包傳送給接收端實體的TCP層。TCP為了保證不發(fā)生丟包,就給每個包一個序號,同時序號也保證了傳送到接收端實體的包的按序接收。然后接收端實體對已成功收到的包發(fā)回一個相應(yīng)的確認(ACK);如果發(fā)送端實體在合理的往返時延(RTT)內(nèi)未收到確認,那么對應(yīng)的數(shù)據(jù)包就被假設(shè)為已丟失將會被進行重傳。TCP用一個校驗和函數(shù)來檢驗數(shù)據(jù)是否有錯誤;在發(fā)送和接收時都要計算校驗和,以確保數(shù)據(jù)的正確性。TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下:
TCP數(shù)據(jù)包中各部分的含義如下:
( 1 )源端口和目標端口
源端口和目標端口各占2個字節(jié)。用來告知主機該報文段是來自哪里以及傳送給哪里。進行 TCP 通訊時,客戶端通常使用系統(tǒng)自動選擇的臨時端口號,而服務(wù)器則根據(jù)應(yīng)用不同使用知名服務(wù)端口號。
( 2 )序列號
序列號占4個字節(jié)。 TCP是面向字節(jié)流的,在一個 TCP 連接中傳輸?shù)淖止?jié)流中的每個字節(jié)都按照順序編號。 由于序列號由32位表示,所以最大值為2的32次方,序號增加到最大值的時候,下一個序號又回到了0。也就是說 TCP 協(xié)議可對 4GB 的數(shù)據(jù)進行編號,在一般情況下可保證當序號重復(fù)使用時,舊序號的數(shù)據(jù)早已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)到達終點或者丟失了。
( 3 )確認號
確認號也是占4個字節(jié)。表示期望收到對方下一個報文段的序號值。 表明該序號之前的所有數(shù)據(jù)已經(jīng)正確無誤的收到。確認號只有當ACK標志為1時才有效。
( 4 ) TCP****首部長度
TCP首部長度也稱為數(shù)據(jù)偏移占半個字節(jié) (4 位)。 它指出了 TCP報文段的數(shù)據(jù)起始處距離TCP報文的起始處有多遠。當了解了LwIP中TCP存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后,會發(fā)現(xiàn)這個值是很有用的。
( 5 ) TCP****標志位
TCP標志位,一共有 6 個,分別占 1 位,共 6 位 。每一位的值只有0和 1,分別表達不同意思。
- URG 標志 ,稱為緊急標志,當URG=1的時候,表示緊急指針有效。它告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù),應(yīng)盡快傳送,而不要按原來的排隊順序來傳送。URG標志要與首部中的“緊急指針”字段配合使用。
- ACK 標志 ,稱為確認標志,當ACK=1的時候,確認號有效。一般稱帶有ACK標志的TCP報文段為“確認報文段”。TCP規(guī)定,在連接建立后所有傳送的報文段都必須把ACK設(shè)置為1。
- PSH 標志 ,稱為推送標志,當PSH = 1的時候,表示該報文段高優(yōu)先級,接收方TCP應(yīng)該盡快推送給接收應(yīng)用程序,而不用等到整個TCP緩存都填滿了后再交付。
- RST 標志 ,稱為復(fù)位標志,當RST =1的時候,表示TCP連接中出現(xiàn)嚴重錯誤,需要釋放并重新建立連接。一般稱攜帶RST標志的TCP報文段為“復(fù)位報文段”。
- SYN 標志 ,稱為同步標志,當SYN = 1的時候,表明這是一個請求連接報文段。一般稱攜帶SYN標志的TCP報文段為“同步報文段”。在TCP 三次握手中的第一個報文就是同步報文段,在連接建立時用來同步序號。 對方若同意建立連接,則應(yīng)在響應(yīng)的報文段中使SYN = 1和ACK = 1。
- FIN 標志 ,稱為終止標志,當FIN = 1時,表示此報文段的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢,并要求釋放TCP連接。 一般稱攜帶FIN的報文段為“結(jié)束報文段”。在TCP四次揮手釋放連接的時候,就會用到該標志。
( 6 )窗口大小
窗口大小占2字節(jié)。該字段明確指出了現(xiàn)在允許對方發(fā)送的數(shù)據(jù)量,它告訴對方本端的TCP接收緩沖區(qū)還能容納多少字節(jié)的數(shù)據(jù),這樣對方就可以控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。窗口大小的值是指,從本報文段首部中的確認號算起,接收方目前允許對方發(fā)送的數(shù)據(jù)量。
( 7 )校驗和
校驗和占2個字節(jié)。由發(fā)送端填充,接收端對 TCP 報文段執(zhí)行 CRC 算法,以檢驗 TCP 報文段在傳輸過程中是否損壞,如果損壞這丟棄。檢驗范圍包括首部和數(shù)據(jù)兩部分,這也是 TCP 可靠傳輸?shù)囊粋€重要保障。
( 8 )緊急指針
緊急指針占2個字節(jié)。僅在URG=1時才有意義,它指出本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 當URG = 1時,發(fā)送方TCP就把緊急數(shù)據(jù)插入到本報文段數(shù)據(jù)的最前面,而在緊急數(shù)據(jù)后面的數(shù)據(jù)仍是普通數(shù)據(jù)。因此,緊急指針指出了緊急數(shù)據(jù)的末尾在報文段中的位置。
2 、 TCP****客戶端設(shè)計
我們已經(jīng)對TCP協(xié)議及其報文格式做了簡單說明,接下來我們將結(jié)合LwIP協(xié)議棧,使用RAW API實現(xiàn)一個TCP客戶端的簡單應(yīng)用。
2.1 、 TCP相關(guān)的RAW API****函數(shù)
在開始實現(xiàn)TCP服務(wù)器之前,我們首先來看一看LwIP中與TCP相關(guān)的RAW API函數(shù)有哪些。并簡單的了解一下其功能。
( 1 )、建立TCP連接的API函數(shù):
( 2 )、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)的API函數(shù):
( 3 )、接收TCP數(shù)據(jù)的API函數(shù):
( 4 )、 TCP輪詢API****函數(shù):
( 5 )、關(guān)閉和中止TCP連接的API函數(shù):
2.2 、 TCP****客戶端的工作流程
我們已經(jīng)了解了LwIP中實現(xiàn)TCP的RAW API函數(shù),也有了實現(xiàn)TCP服務(wù)器的經(jīng)驗,現(xiàn)在我們來實現(xiàn)一個客戶端操作??蛻舳说墓ぷ髁鞒涛覀兒唵蚊枋鋈缦拢?/p>
( 1 )、新建控制快
使用tcp_new()函數(shù)建立一個TCP控制塊。
( 2 )、綁定控制塊
對于客戶端來說,并不需要顯性的調(diào)用tcp_bind函數(shù)來為其綁定IP和端口,因為在客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接時,LwIP內(nèi)核會自動為客戶端控制塊綁定一個端口。但如果用戶確實想顯示使用也沒有問題。
( 3 )、建立連接
對于客戶端程序來說,它需要主動發(fā)起會話,應(yīng)為服務(wù)器一直在等待中,所以客戶端需要向服務(wù)器發(fā)送一個SYN握手報文。這一過程使用tcp_connect函數(shù)來完成。同時會注冊一個連接完成回調(diào)函數(shù),因為在連接建立后,內(nèi)核就會調(diào)用這個函數(shù)。
( 4 )、發(fā)送請求
使用tcp_write函數(shù)發(fā)送一個數(shù)據(jù)通訊請求,當然要以服務(wù)器能夠理解的形式。其實就是告訴服務(wù)器,客戶端有什么想要做的,然后等待服務(wù)器的反饋。
( 5 )、接收數(shù)據(jù)并處理
一旦連接成功,connect完成回調(diào)函數(shù)會調(diào)用tcp_recv函數(shù)注冊一個接收完成的處理函數(shù)。對于客戶端來說,接收到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù),就會調(diào)用這一回調(diào)函數(shù)進行處理。然后其處理過程與服務(wù)器類似:接收到數(shù)據(jù)后,首先通知更新接受窗口(使用tcp_recved函數(shù)),處理并發(fā)送數(shù)據(jù)(使用tcp_write函數(shù)),數(shù)據(jù)發(fā)送成功則清除已發(fā)送的數(shù)據(jù)(使用tcp_sent函數(shù)),最后關(guān)閉連接(使用函數(shù)tcp_close)。
用流程圖表述如下:
在上述流程圖中我們列出了每一環(huán)節(jié)所用到的主要函數(shù),其他一些函數(shù)用到了但未列出,有興趣可以免查閱源碼或者看相關(guān)的手冊。
2.3 、常用端口
TCP所使用的端口有很多與UDP是相同的,也有一些不一樣。為了方便操作我們已經(jīng)將常用的端口以宏定義的形式存儲在一個文件中。現(xiàn)將常用的端口列于下,我們也是使用下列端口來實現(xiàn)我們的操作。
對于端口這塊奇石前面已經(jīng)描述過了,在這里只是簡單的說一下,因為我們實現(xiàn)的功能比較簡單,依然使用TCP回環(huán)協(xié)議端口。
3 、 TCP****客戶端實現(xiàn)
經(jīng)過上述的分析以及我們前面實現(xiàn)TCP服務(wù)器的經(jīng)驗,實現(xiàn)TCP客戶端已經(jīng)沒有問題。我們將TCP客戶端分成4個函數(shù)來實現(xiàn)。首先依然是實現(xiàn)TCP客戶端的初始化:
1 /* TCP客戶端初始化 */
2 void Tcp_Client_Initialization(void)
3 {
4 struct tcp_pcb *tcp_client_pcb;
5 ip_addr_t ipaddr;
6
7 /* 將目標服務(wù)器的IP寫入一個結(jié)構(gòu)體,為pc機本地連接IP地址 */
8 IP4_ADDR(&ipaddr,serverIP[0],serverIP[1],serverIP[2],serverIP[3]);
9
10 /* 為tcp客戶端分配一個tcp_pcb結(jié)構(gòu)體 */
11 tcp_client_pcb = tcp_new();
12
13 /* 綁定本地端號和IP地址 */
14 tcp_bind(tcp_client_pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_CLIENT_PORT);
15
16 if (tcp_client_pcb != NULL)
17 {
18 /* 與目標服務(wù)器進行連接,參數(shù)包括了目標端口和目標IP */
19 tcp_connect(tcp_client_pcb, &ipaddr, TCP_SERVER_PORT, TCPClientConnected);
20
21 tcp_err(tcp_client_pcb, TCPClientConnectError);
22 }
23 }
上述初始化的代碼很簡單,有兩個地方需要說一下:一是使用tcp_connect注冊連接完成的處理回調(diào)函數(shù);二是使用tcp_err注冊了連接錯誤處理回調(diào)函數(shù)。很明顯接下來我們需要實現(xiàn)這兩個函數(shù)。
連接到服務(wù)器成功后的回調(diào)函數(shù)是tcp_connected_fn類型。在客戶端建立一個連接后,內(nèi)核會調(diào)用這個函數(shù)。在這個函數(shù)中,客戶端回想服務(wù)器發(fā)送最初的操作請求,并且會在這個函數(shù)中注冊數(shù)據(jù)接收處理回調(diào)函數(shù)。
1 /* TCP客戶端連接到服務(wù)器回調(diào)函數(shù) */
2 static err_t TCPClientConnected(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err)
3 {
4 char clientString[]="This is a new client connection.\\r\\n";
5
6 /* 配置接收回調(diào)函數(shù) */
7 tcp_recv(pcb, TCPClientCallback);
8
9 /* 發(fā)送一個建立連接的問候字符串*/
10 tcp_write(pcb,clientString, strlen(clientString),0);
11
12 return ERR_OK;
13 }
對于TCP客戶端連接服務(wù)器錯誤回調(diào)函數(shù),它是tcp_err_fn類型,在這個程序中主要完成連接異常結(jié)束時的一些處理,可以釋放一些必要的資源。在這個函數(shù)被內(nèi)核調(diào)用時,連接實際上已經(jīng)斷開,相關(guān)控制塊也已經(jīng)被刪除。所以在這個函數(shù)中我們可以重新初始化連接及其資源。在這里額我們就是使用它來重新初始化TCP客戶端。
1 /* TCP客戶端連接服務(wù)器錯誤回調(diào)函數(shù) */
2 static void TCPClientConnectError(void *arg, err_t err)
3 {
4 /* 重新啟動連接 */
5 Tcp_Client_Initialization();
6 }
最后我們需要實現(xiàn)的是TCP客戶端接收到數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù)。這個函數(shù)其實就是我們前面連接成功時,注冊過的TCP客戶端數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)。這個函數(shù)是tcp_recv_fn類型。這是使用RAW API實現(xiàn)TCP客戶端功能最重要的一個函數(shù),因為它決定TCP客戶端的具體功能。
1 /* TCP客戶端接收到數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù) */
2 static err_t TCPClientCallback(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, struct pbuf *tcp_recv_pbuf, err_t err)
3 {
4 struct pbuf *tcp_send_pbuf;
5 char echoString[]="This is the server content echo:\\r\\n";
6
7 if (tcp_recv_pbuf != NULL)
8 {
9 /* 更新接收窗口 */
10 tcp_recved(pcb, tcp_recv_pbuf->tot_len);
11
12 /* 將接收到的服務(wù)器內(nèi)容回顯*/
13 tcp_write(pcb,echoString, strlen(echoString), 1);
14 tcp_send_pbuf = tcp_recv_pbuf;
15 tcp_write(pcb, tcp_send_pbuf->payload, tcp_send_pbuf->len, 1);
16
17 pbuf_free(tcp_recv_pbuf);
18 }
19 else if (err == ERR_OK)
20 {
21 tcp_close(pcb);
22 Tcp_Client_Initialization();
23
24 return ERR_OK;
25 }
26
27 return ERR_OK;
28 }
到這里,我們就實現(xiàn)了一個簡單的TCP客戶端。對于TCP客戶端的具體功能就在于就收處理回調(diào)函數(shù)的實現(xiàn)了。具體的應(yīng)用只是功能上的復(fù)雜程度不一樣,結(jié)構(gòu)上是一樣的。
4 、結(jié)論
本篇我們基于LwIP實現(xiàn)了簡單的TCP客戶端應(yīng)用。通過回調(diào)函數(shù)的實現(xiàn)方式,整個過程與TCP服務(wù)器的實現(xiàn)基本類似。我們用設(shè)計的TCP客戶端去連接TCP服務(wù)器應(yīng)用,測試連接都沒有問題。當然,我們可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計更復(fù)雜的應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)我們想要的功能,只需要在回調(diào)函數(shù)中添加處理就可以了。
-
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