[系统运维]【正点原子I.MX6U-MINI应用篇】8、嵌入式Linux网络通信socket编程

Linux系统是依靠互联网平台迅速发展起来的，所以它具有强大的网络功能支持，也是 Linux 系统的一大特点。socket是内核向应用层提供的一套网络编程接口，用户基于socket接口可开发自己的网络相关应用程序。

一、IP和端口

所有的数据传输，都有三个要素 ：源、目的、长度。

所以，在网络传输中需要使用IP和端口来表示源或目的。

端口号本质上就是一个数字编号，用来在一台主机中唯一标识一个能上网（能够进行网络通信）的进
程，端口号的取值范围为0~65535。一台主机通常只有一个 IP 地址，但是可能有多个端口号，每个端口号表示一个能上网的进程。一台拥有 IP 地址的主机可以提供许多服务，比如 Web 服务、FTP 服务、SMTP 服务等，这些服务都是能够进行网络通信的进程，IP 地址只能区分网络中不同的主机，并不能区分主机中的这些进程，显然不能只靠 IP 地址，因此才有了端口号。通过IP 地址+端口号来区分主机不同的进程。

二、2个对象：server和client

我们经常访问网站，这涉及 2 个对象：网站服务器，浏览器。网站服务器平时安静地呆着，浏览器主动发起数据请求。网站服务器、浏览器可以抽象成 2 个软件的概念：server 程序、client 程序。

三、两种传输方式：TCP/UDP

在一般的网络书籍中，网络协议被分为 5 层。

• 1、应用层：它是体系结构中的最高层，直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP协议，支持文件传送的FTP协议，DNS，POP3，SNMP，Telnet 等等。
• 2、运输层：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
  运输层主要使用以下两种协议：
• • 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
• • 用户数据包协议 UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。
• 3、网络层：负责将被称为数据包（datagram）的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。
• 4、 链路层：因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。
• 5、物理层：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

这些层对于初学者来说很难理解，我们只需要知道：我们需要使用“运输层”编写应用程序，我们的应用程序位于“应用层”。使用“运输层”时，可以选择 TCP 协议，也可以选择 UDP 协议。

3.1 TCP和UDP原理上的区别

TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务有 2 个特点：可靠传输、流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。它包括了应用层报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制。

UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。它没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。

3.2 为何存在UDP协议

既然 TCP 提供了可靠数据传输服务，而 UDP 不能提供，那么 TCP 是否总是首选呢？

答案是否定的，因为有许多应用更适合用UDP，举个例子：视频通话时，使用UDP，偶尔的丢包、偶尔的花屏时可以忍受的；如果使用TCP，每个数据包都要确保可靠传输，当它出错时就重传，这会导致后续的数据包被阻滞，视频效果反而不好。

使用UDP时，有如下特点：

• 1、采用UDP时只要应用进程将数据传递给UDP，UDP就会立即将其传递给网络层。而TCP有重传机制，而不管可靠交付需要多长时间。但是实时应用通常不希望过分的延迟报文段的传送，且能容忍一部分数据丢失。
• 2、无需建立连接，不会引入建立连接时的延迟。
• 3、无连接状态，能支持更多的活跃客户。
• 4、分组首部开销较小。

3.3 TCP/UDP网络通信大概交互图

四、socket编程接口介绍

4.1 socket函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type,int protocol);

此函数用于创建一个套接字。执行成功时返回文件描述符，失败时返回-1,看 errno 可知道出错的详细情况。

• domain：网络程序所在的主机采用的通讯协族(AF_UNIX 和 AF_INET 等)。AF_UNIX 只能够用于单一的 Unix 系统进程间通信，而AF_INET是针对 Internet 的，因而可以允许远程通信使用。
• type：网络程序所采用的通讯协议(SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM 等)。SOCK_STREAM 表明用的是TCP协议，这样会提供按顺序的，可靠，双向，面向连接的比特流。SOCK_DGRAM 表明用的是UDP协议，这样只会提不可靠，无连接的通信。
• protocol：由于指定了type，所以这个地方一般只要用0来代替就可以了。

使用示例

int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//打开套接字
if (0 > socket_fd) {
	perror("socket error");
	exit(-1);
}
......
......
close(socket_fd); //关闭套接字

4.2 bind函数(服务器端)

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

从函数用于将地址绑定到一个套接字。

• sockfd 是由 socket 函数调用返回的文件描述符。
  *my_addr 是一个指向 sockaddr 的指针。
  *addrlen 是 sockaddr 结构的长度。

struct sockaddr{
	unisgned short as_family;
	char sa_data[14];
};

不过由于系统的兼容性 , 我们一般使用另外一个结构 (structsockaddr_in) 来代替。

struct sockaddr_in{
	unsigned short sin_family;
	unsigned short sin_port;
	struct in_addr sin_addr;
	unsigned char sin_zero[8];
}

如果使用Internet所以sin_family一般为 AF_INET。

• sin_addr 设置为INADDR_ANY表示可以和任何的主机通信。
• sin_port 是要监听的端口号。
• bind 将本地的端口同socket 返回的文件描述符捆绑在一起.成功是返回 0,失败的情况和 socket 一样。

使用示例

struct sockaddr_in socket_addr;
memset(&socket_addr, 0x0, sizeof(socket_addr)); //清零
//填充变量
socket_addr.sin_family = AF_INET;
socket_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
socket_addr.sin_port = htons(5555);
//将地址与套接字进行关联、绑定
bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&socket_addr, sizeof(socket_addr));

Tips：bind()函数并不是总是需要调用的，只有用户进程想与一个具体的 IP 地址或端口号相关联的时候才需要调用这个函数。通常在客户端应用程序中会这样做。

4.3 listen函数(服务器端)

int listen(int sockfd,int backlog);

此函数宣告服务器可以接受连接请求。

• sockfd：bind 后的文件描述符。
• backlog：设置请求排队的最大长度。当有多个客户端程序和服务端相连时，
  使用这个表示可以介绍的排队长度。
• 返回值：listen 函数将 bind 的文件描述符变为监听套接字，返回的情况和 bind 一样。

4.4 accept函数(服务器端)

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen);

服务器使用此函数获得连接请求，并且建立连接。

• sockfd ：listen 后的文件描述符。
• addr ：addrlen 是用来给客户端的程序填写的,服务器端只要传递指针就可以了，bind、listen 和 accept 是服务器端用的函数。
• accept 调用时，服务器端的程序会一直阻塞到有一个客户程序发出了连接。accept 成功时返回最后的服务器端的文件描述符，这个时候服务器端可以向该描述符写信息了，失败时返回-1 。

4.5 connect函数

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen);

可以用connect 建立一个连接，在 connect 中所指定的地址是想与之通信的服务器的地址。

• sockfd: socket 函数返回的文件描述符。
• serv_addr: 储存了服务器端的连接信息，其中 sin_add 是服务端的地址。
• addrlen：serv_addr 的长度

connect 函数是客户端用来同服务端连接的。成功时返回 0，sockfd 是同服务端通讯的文件描述符，失败时返回-1。

4.6 send函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• sockfd 指定发送端套接字描述符；
• buf 指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；
• len 指明实际要发送的数据的字节数；
• flags 一般置 0。

客户或者服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

4.7 recv函数

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• sockfd 指定接收端套接字描述符；
• buf 指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放 recv 函数接收到的数据；
• len 指明 buf 的长度；
• flags 一般置 0。

客户或者服务器应用程序都用recv函数从 TCP 连接的另一端接收数据。

4.8 recvfrom函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

• recvfrom：通常用于无连接套接字，因为此函数可以获得发送者的地址。
• src_addr：是一个 struct sockaddr 类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。
• addrlen 常置为 sizeof （struct sockaddr）。

4.9 sendto函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

• sendto 和 send 相似，区别在于 sendto 允许在无连接的套接字上指定一个目标地址。
• dest_addr 表示目地机的 IP 地址和端口号信息，
• addrlen 常常被赋值为 sizeof （struct sockaddr）。
• sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

五、socket 编程实战

5.1 编写服务器程序

编写服务器应用程序的流程如下：

①、调用 socket()函数打开套接字，得到套接字描述符；
②、调用 bind()函数将套接字与 IP 地址、端口号进行绑定；
③、调用 listen()函数让服务器进程进入监听状态；
④、调用 accept()函数获取客户端的连接请求并建立连接；
⑤、调用 read/recv、write/send 与客户端进行通信；
⑥、调用 close()关闭套接字。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#define SERVER_PORT     8888    //端口号不能发生冲突,不常用的端口号通常大于5000

int main(void)
{
    struct sockaddr_in server_addr = {0};
    struct sockaddr_in client_addr = {0};
    char ip_str[20] = {0};
    int sockfd, connfd;
    int addrlen = sizeof(client_addr);
    char recvbuf[512];
    int ret;

    /* 打开套接字，得到套接字描述符 */
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (0 > sockfd) {
        perror("socket error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 将套接字与指定端口号进行绑定 */
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (0 > ret) {
        perror("bind error");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 使服务器进入监听状态 */
    ret = listen(sockfd, 50);
    if (0 > ret) {
        perror("listen error");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 阻塞等待客户端连接 */
    connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addrlen);
    if (0 > connfd) {
        perror("accept error");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("有客户端接入...\n");
    inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip_str, sizeof(ip_str));
    printf("客户端主机的IP地址: %s\n", ip_str);
    printf("客户端进程的端口号: %d\n", client_addr.sin_port);

    /* 接收客户端发送过来的数据 */
    for ( ; ; ) {

        // 接收缓冲区清零
        memset(recvbuf, 0x0, sizeof(recvbuf));

        // 读数据
        ret = recv(connfd, recvbuf, sizeof(recvbuf), 0);
        if(0 >= ret) {
            perror("recv error");
            close(connfd);
            break;
        }

        // 将读取到的数据以字符串形式打印出来
        printf("from client: %s\n", recvbuf);

        // 如果读取到"exit"则关闭套接字退出程序
        if (0 == strncmp("exit", recvbuf, 4)) {
            printf("server exit...\n");
            close(connfd);
            break;
        }
    }

    /* 关闭套接字 */
    close(sockfd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

5.2 编写客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

#define SERVER_PORT		8888          	  //服务器的端口号
#define SERVER_IP   	"192.168.10.50"	//服务器的IP地址

int main(void)
{
    struct sockaddr_in server_addr = {0};
    char buf[512];
    int sockfd;
    int ret;

    /* 打开套接字，得到套接字描述符 */
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (0 > sockfd) {
        perror("socket error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 调用connect连接远端服务器 */
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号
    inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr);//IP地址

    ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (0 > ret) {
        perror("connect error");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("服务器连接成功...\n\n");

    /* 向服务器发送数据 */
    for ( ; ; ) {
        // 清理缓冲区
        memset(buf, 0x0, sizeof(buf));

        // 接收用户输入的字符串数据
        printf("Please enter a string: ");
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);

        // 将用户输入的数据发送给服务器
        ret = send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);
        if(0 > ret){
            perror("send error");
            break;
        }

        //输入了"exit"，退出循环
        if(0 == strncmp(buf, "exit", 4))
            break;
    }

    close(sockfd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

5.3 编译测试

将服务器程序运行在开发板上，而将客户端应用程序运行在Ubuntu系统，当然你也可以将客户端和服务器程序都运行在开发板或Ubuntu系统，这都是没问题的。

gcc -o client socket_client.c
${CC} -o server socket_server.c

编译得到client和server可执行文件，server 可执行文件在开发板上运行，client 可执行文件在 PC 端Ubuntu 系统下运行。

在开发板执行 server：

接着在 Ubuntu 系统执行客户端程序：

客户端运行之后将会去连接远端服务器，连接成功便会打印出信息“服务器连接成功…”，此时服务器
也会监测到客户端连接，会打印相应的信息，如下所示：

接下来我们便可以在客户端处输入字符串，客户端程序会将我们输入的字符串信息发送给服务器，服务器接收到之后将其打印出来，如下所示：