基于LwIP的TCP客戶端設(shè)計(jì)

上一篇我們基于LwIP協(xié)議棧的RAW API實(shí)現(xiàn)了一個(gè)TCP服務(wù)器的簡單應(yīng)用，接下來一節(jié)我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jì)算機(jī)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(bào)協(xié)議（UDP）是同一層內(nèi)的，另一個(gè)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(jī)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(jī)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)摹⒂?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(dāng)長度的報(bào)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(shí)體的TCP層。TCP為了保證不發(fā)生丟包，就給每個(gè)包一個(gè)序號，同時(shí)序號也保證了傳送到接收端實(shí)體的包的按序接收。然后接收端實(shí)體對已成功收到的包發(fā)回一個(gè)相應(yīng)的確認(rèn)（ACK）；如果發(fā)送端實(shí)體在合理的往返時(shí)延（RTT）內(nèi)未收到確認(rèn)，那么對應(yīng)的數(shù)據(jù)包就被假設(shè)為已丟失將會被進(jìn)行重傳。TCP用一個(gè)校驗(yàn)和函數(shù)來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤；在發(fā)送和接收時(shí)都要計(jì)算校驗(yàn)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(biāo)端口

源端口和目標(biāo)端口各占2個(gè)字節(jié)。用來告知主機(jī)該報(bào)文段是來自哪里以及傳送給哪里。進(jìn)行 TCP 通訊時(shí)，客戶端通常使用系統(tǒng)自動選擇的臨時(shí)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(gè)字節(jié)。 TCP是面向字節(jié)流的，在一個(gè) TCP 連接中傳輸?shù)淖止?jié)流中的每個(gè)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(shí)候，下一個(gè)序號又回到了0。也就是說 TCP 協(xié)議可對 4GB 的數(shù)據(jù)進(jìn)行編號，在一般情況下可保證當(dāng)序號重復(fù)使用時(shí)，舊序號的數(shù)據(jù)早已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)終點(diǎn)或者丟失了。

（ 3 ）確認(rèn)號

確認(rèn)號也是占4個(gè)字節(jié)。表示期望收到對方下一個(gè)報(bào)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(rèn)號只有當(dāng)ACK標(biāo)志為1時(shí)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(gè)字節(jié) (4 位)。 它指出了 TCP報(bào)文段的數(shù)據(jù)起始處距離TCP報(bào)文的起始處有多遠(yuǎn)。當(dāng)了解了LwIP中TCP存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，會發(fā)現(xiàn)這個(gè)值是很有用的。

（ 5 ） TCP****標(biāo)志位

TCP標(biāo)志位，一共有 6 個(gè)，分別占 1 位，共 6 位 。每一位的值只有0和 1，分別表達(dá)不同意思。

• URG 標(biāo)志 ，稱為緊急標(biāo)志，當(dāng)URG=1的時(shí)候，表示緊急指針有效。它告訴系統(tǒng)此報(bào)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(duì)順序來傳送。URG標(biāo)志要與首部中的“緊急指針”字段配合使用。
• ACK 標(biāo)志 ，稱為確認(rèn)標(biāo)志，當(dāng)ACK=1的時(shí)候，確認(rèn)號有效。一般稱帶有ACK標(biāo)志的TCP報(bào)文段為“確認(rèn)報(bào)文段”。TCP規(guī)定，在連接建立后所有傳送的報(bào)文段都必須把ACK設(shè)置為1。
• PSH 標(biāo)志 ，稱為推送標(biāo)志，當(dāng)PSH = 1的時(shí)候，表示該報(bào)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(gè)TCP緩存都填滿了后再交付。
• RST 標(biāo)志 ，稱為復(fù)位標(biāo)志，當(dāng)RST =1的時(shí)候，表示TCP連接中出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，需要釋放并重新建立連接。一般稱攜帶RST標(biāo)志的TCP報(bào)文段為“復(fù)位報(bào)文段”。
• SYN 標(biāo)志 ，稱為同步標(biāo)志，當(dāng)SYN = 1的時(shí)候，表明這是一個(gè)請求連接報(bào)文段。一般稱攜帶SYN標(biāo)志的TCP報(bào)文段為“同步報(bào)文段”。在TCP 三次握手中的第一個(gè)報(bào)文就是同步報(bào)文段，在連接建立時(shí)用來同步序號。 對方若同意建立連接，則應(yīng)在響應(yīng)的報(bào)文段中使SYN = 1和ACK = 1。
• FIN 標(biāo)志 ，稱為終止標(biāo)志，當(dāng)FIN = 1時(shí)，表示此報(bào)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(bào)文段為“結(jié)束報(bào)文段”。在TCP四次揮手釋放連接的時(shí)候，就會用到該標(biāo)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(bào)文段首部中的確認(rèn)號算起，接收方目前允許對方發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

（ 7 ）校驗(yàn)和

校驗(yàn)和占2個(gè)字節(jié)。由發(fā)送端填充，接收端對 TCP 報(bào)文段執(zhí)行 CRC 算法，以檢驗(yàn) TCP 報(bào)文段在傳輸過程中是否損壞，如果損壞這丟棄。檢驗(yàn)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€(gè)重要保障。

（ 8 ）緊急指針

緊急指針占2個(gè)字節(jié)。僅在URG=1時(shí)才有意義，它指出本報(bào)文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 當(dāng)URG = 1時(shí)，發(fā)送方TCP就把緊急數(shù)據(jù)插入到本報(bào)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(bào)文段中的位置。

2 、 TCP****客戶端設(shè)計(jì)

我們已經(jīng)對TCP協(xié)議及其報(bào)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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)TCP的RAW API函數(shù)，也有了實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)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?yàn)樵诳蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)起連接時(shí)，LwIP內(nèi)核會自動為客戶端控制塊綁定一個(gè)端口。但如果用戶確實(shí)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(gè)SYN握手報(bào)文。這一過程使用tcp_connect函數(shù)來完成。同時(shí)會注冊一個(gè)連接完成回調(diào)函數(shù)，因?yàn)樵谶B接建立后，內(nèi)核就會調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

（ 4 ）、發(fā)送請求

使用tcp_write函數(shù)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)通訊請求，當(dāng)然要以服務(wù)器能夠理解的形式。其實(shí)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(gè)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(jìn)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(gè)文件中?，F(xiàn)將常用的端口列于下，我們也是使用下列端口來實(shí)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?yàn)槲覀儗?shí)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(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述的分析以及我們前面實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)TCP客戶端已經(jīng)沒有問題。我們將TCP客戶端分成4個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。首先依然是實(shí)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(biāo)服務(wù)器的IP寫入一個(gè)結(jié)構(gòu)體，為pc機(jī)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(gè)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(biāo)服務(wù)器進(jìn)行連接，參數(shù)包括了目標(biāo)端口和目標(biāo)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(gè)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(cuò)誤處理回調(diào)函數(shù)。很明顯接下來我們需要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)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(gè)連接后，內(nèi)核會調(diào)用這個(gè)函數(shù)。在這個(gè)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(gè)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(gè)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(cuò)誤回調(diào)函數(shù)，它是tcp_err_fn類型，在這個(gè)程序中主要完成連接異常結(jié)束時(shí)的一些處理，可以釋放一些必要的資源。在這個(gè)函數(shù)被內(nèi)核調(diào)用時(shí)，連接實(shí)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(gè)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(cuò)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(shí)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(gè)函數(shù)其實(shí)就是我們前面連接成功時(shí)，注冊過的TCP客戶端數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)。這個(gè)函數(shù)是tcp_recv_fn類型。這是使用RAW API實(shí)現(xiàn)TCP客戶端功能最重要的一個(gè)函數(shù)，因?yàn)樗鼪Q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(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了簡單的TCP客戶端應(yīng)用。通過回調(diào)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，整個(gè)過程與TCP服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)基本類似。我們用設(shè)計(jì)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(dāng)然，我們可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更復(fù)雜的應(yīng)用層協(xié)議實(shí)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。