第10章 嵌入式Linux网络编程.ppt

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1、本章的要求第10章、嵌入式Linux网络编程 u掌握TCP/IP协议的基础知识 u掌握嵌入式Linux基础网络编程 u掌握嵌入式Linux高级网络编程 u分析理解Ping源代码 u能够独立编写客户端、服务器端的通信程序 u能够独立编写NTP协议实现程序 www.embedu.org本章的主要内容10.1 TCP/IP协议概述10.2 网络基础编程 10.3 网络高级编程 10.4 ping源码分析 10.5 实验内容NTP协议实现 www.embedu.org10.1 TCP/IP协议概述www.embedu.orgOSI参考模型及TCP/IP参考模型 www.embedu.orgTCP 三次

2、握手和TCP数据包头格式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。www.embedu.orgUDP 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。它比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。www.embedu.org协议的选择（1）对数据可靠性的要求对数据要求高可靠性

3、的应用需选择TCP协议，如验证、密码字段的传送都是不允许出错的，而对数据的可靠性要求不那么高的应用可选择UDP传送。（2）应用的实时性TCP协议在传送过程中要使用三次握手、重传确认等手段来保证数据传输的可靠性。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，如VOIP、视频监控等。相反，UDP协议则在这些应用中能发挥很好的作用。（3）网络的可靠性由于TCP协议的提出主要是解决网络的可靠性问题，它通过各种机制来减少错误发生的概率。因此，在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），但是若在网络状况很好的情况下（如局域网等）就不需要再采用TCP协议，而建议选择UD

4、P协议来减少网络负荷。www.embedu.org10.2 网络基础编程www.embedu.orgsocket概念在Linux中的网络编程是通过socket接口来进行的。socket是一种特殊的I/O接口，它也是一种文件描述符。它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

5、接建立、数据传输等操作都是通过socket来实现的。www.embedu.orgsocket类型（1）流式socket（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正确性和顺序性。（2）数据报socket（SOCK_DGRAM）数据报套接字定义了一种无连接的服务，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。（3）原始socket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。www.embedu.orgsocket信息数据结构str

6、uct 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 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*/;www.embedu.org数据存储优先顺序 的转换计算机数据存储有两种字

7、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）。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。这里用到了四个函数：htons()、ntohs()、htonl()和ntohl()。这四个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化，这里的h代表host，n代表network，s代表short，l代表long。通常16位的IP端口号用s代表，而IP地址用l来代表。www.embedu.org地址格式转化（1）通常用户在表达地址时采用的是点分十进制表示的数值（或者是以冒号分开的十进制IPv6地址），而在通常使用的

8、socket编程中所使用的则是二进制值，这就需要将这两个数值进行转换。这里在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()。www.embedu.org地址格式转化（2）www.embedu.org名字地址转化（1）通常，人们在使用过程中都不愿意记忆冗长的IP地址，尤其到IPv6时，地址长度多达128位，那时就更加不可能一次次记忆那么长的IP地址了。因此，使用主机名将会是很好的选择。在Linux中，同样有一些函数可以实现主机名和地址的转化，最为常见的有gethostby

9、name()、gethostbyaddr()和getaddrinfo()等，它们都可以实现IPv4和IPv6的地址和主机名之间的转化。其中gethostbyname()是将主机名转化为IP地址，gethostbyaddr()则是逆操作，是将IP地址转化为主机名，另外getaddrinfo()还能实现自动识别IPv4地址和IPv6地址。www.embedu.org名字地址转化（2）-主要数据结构struct 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

10、度*/char*h_addr_list;/*指向IPv4或IPv6的地址指针数组*/struct 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*/www

11、.embedu.org名字地址转化（3）www.embedu.org名字地址转化（4）www.embedu.org示例阅读并运行示例10-2-2。www.embedu.orgsocket基础编程（1）socket编程的基本函数有socket()、bind()、listen()、accept()、send()、sendto()、recv()以及recvfrom()等，其中根据客户端还是服务端，或者根据使用TCP协议还是UDP协议，这些函数的调用流程都有所区别。socket()：该函数用于建立一个socket连接，可指定socket类型等信息。在建立了socket连接之后，可对sockaddr或s

12、ockaddr_in结构进行初始化，以保存所建立的socket地址信息。bind()：该函数是用于将本地IP地址绑定到端口号，若绑定其他IP地址则不能成功。另外，它主要用于TCP的连接，而在UDP的连接中则无必要。listen()：在服务端程序成功建立套接字和与地址进行绑定之后，还需要准备在该套接字上接收新的连接请求。此时调用listen()函数来创建一个等待队列，在其中存放未处理的客户端连接请求。www.embedu.orgsocket基础编程（2）accept()：服务端程序调用listen()函数创建等待队列之后，调用accept()函数等待并接收客户端的连接请求。它通常从由bind()

13、所创建的等待队列中取出第一个未处理的连接请求。connect()：该函数在TCP中是用于bind()的之后的client端，用于与服务器端建立连接，而在UDP中由于没有了bind()函数，因此用connect()有点类似bind()函数的作用。send()和recv()：这两个函数分别用于发送和接收数据，可以用在TCP中，也可以用在UDP中。当用在UDP时，可以在connect()函数建立连接之后再用。sendto()和recvfrom()：这两个函数的作用与send()和recv()函数类似，也可以用在TCP和UDP中。当用在TCP时，后面的几个与地址有关参数不起作用，函数作用等同于send

14、()和recv()；当用在UDP时，可以用在之前没有使用connect()的情况下，这两个函数可以自动寻找指定地址并进行连接。www.embedu.orgsocket基础编程（3）-使用TCP协议的流程图 www.embedu.orgsocket基础编程（4）-使用UDP协议的流程图www.embedu.orgsocket()函数 www.embedu.orgbind()函数、listen()函数 www.embedu.orgaccept()函数、connect()函数www.embedu.orgsend()函数、recv()函数www.embedu.orgsendto()函数www.embe

15、du.orgrecvfrom()函数www.embedu.org示例阅读并运行示例10-2-3www.embedu.org网络高级编程 在实际情况中，人们往往遇到多个客户端连接服务器端的情况。由于之前介绍的如connet()、recv()和send()等都是阻塞性函数，如果资源没有准备好，则调用该函数的进程将进入睡眠状态，这样就无法处理I/O多路复用的情况了。本节给出了两种解决I/O多路复用的解决方法，这两个函数都是之前学过的fcntl()和select()。www.embedu.orgfcntl()函数fcntl()针对socket编程提供了如下的编程特性。非阻塞I/O：可将cmd设置为F_

16、SETFL，将lock设置为O_NONBLOCK。异步I/O：可将cmd设置为F_SETFL，将lock设置为O_ASYNC。示例 阅读并运行示例10-3-1。www.embedu.orgselect()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。示例 阅读并运行10-3-2。www.embedu.org10.4 ping源码分析 www.embedu.orgp

17、ing简介（1）ping是网络中应用非常广泛的一个软件，它是基于ICMP协议的。下面首先对ICMP协议做一些简单介绍。ICMP是IP层的一个协议，它是用来探测主机、路由维护、路由选择和流量控制的。ICMP报文的最终报宿不是计算机（报宿机）上的一个用户进程，而是计算机上的IP层软件。也就是说，当一个带有错误信息的ICMP报文到达时，IP软件模块仅处理本身问题，而不把这个ICMP报文传送给应用程序。ICMP报文类型有：回送(ECHO)回答（0）；报宿不可到达（3）；报源断开（4）；重定向（改变路由）（5）；回送（ECHO）请求（8）；数据报超时（11）；数据报参数问题（12）；时间印迹请求（13）

18、；时间印迹回答（14）；信息请求（15）；信息回答（16）；地址掩码请求（17）；地址掩码回答（18）。www.embedu.orgping简介（2）虽然每种报文都有不同的格式，但它们开始都有下面三段：一个8位整数报文TYPE（类型）段；一个8位CODE（代码码）段，提供更多的报文类型信息；一个16位CHECKSUM（校验和）段；此外，报告差错的ICMP报文还包含产生问题数据报的网际报头及前64位数据。www.embedu.orgping总体流程www.embedu.orgping源码分析按照书上的步骤，分析ping源码。www.embedu.org10.5 实验内容NTP协议实现 www.e

19、mbedu.org实验目的和内容1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。2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。www.embedu.orgNTP协议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

20、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Stratun（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。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。

21、www.embedu.orgNTP协议数据报格式（1）LI：跳跃指示器，警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒（闺秒）。VN：版本号。Mode：工作模式。该字段包括以下值：0预留；1对称行为；3客户机；4服务器；5广播；6NTP控制信息。NTP协议具有三种工作模式，分别为主/被动对称模式、客户/服务器模式、广播模式。在主/被动对称模式中，有一对一的连接，双方均可同步对方或被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方工作在被动模式下；客户/服务器模式与主/被动模式基本相同，唯一区别在于客户方可被服务器同步，但服务器不能被客户同步；在广播模式中，有一对多的连接，服务器不论客户工

22、作在何种模式下，都会主动发出时间信息，客户根据此信息调整自己的时间。www.embedu.orgNTP协议数据报格式（2）Stratum：对本地时钟级别的整体识别。Poll：有符号整数表示连续信息间的最大间隔。Precision：有符号整数表示本地时钟精确度。Root Delay：有符号固定点序号表示主要参考源的总延迟，很短时间内的位15到16间的分段点。Root Dispersion：无符号固定点序号表示相对于主要参考源的正常差错，很短时间内的位15到16间的分段点。Reference Identifier：识别特殊参考源。Originate Timestamp：这是向服务器请求分离客户机的

23、时间，采用64位时标格式。Receive Timestamp：这是向服务器请求到达客户机的时间，采用64位时标格式。Transmit Timestamp：这是向客户机答复分离服务器的时间，采用64位时标格式。Authenticator（Optional）：当实现了NTP认证模式时，主要标识符和信息数字域就包括已定义的信息认证代码（MAC）信息。www.embedu.org程序流程图www.embedu.org完成实验$date-s 2001-01-01 1:00:002001年 01月 01日 星期一 01:00:00 EST$date2001年 01月 01日 星期一 01:00:00 EST$./ntpNTP client success!$date能够显示当前准确的日期和时间了！能够显示当前准确的日期和时间了！www.embedu.org