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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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10.1TCP/IP协议概述

10.1.1OSI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。

OSI参考模型TCP/IP参考模型

应用层

表示层应用层

会话层

传输层传输层

网络层网络层

数据链路层
网络接口层
物理层

图10.1OSI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

10.1.2TCP/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。

telnetftp应用层

传输层
TCPUDP

ICMPIGMP

网络层
IPv4、IPv6

ARP、RARP
网络接口层

MPLS

图10.2TCP/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。

10.1.3TCP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