LwIP應用開發筆記之六：LwIP無操作系統TCP客戶端

上一篇我們基於LwIP協議棧的RAW API實現了一個TCP服務器的簡單應用，接下來一節我們來實現一個TCP客戶端的簡單應用。

1、TCP簡述

TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協議）是一種面向連接的、可靠的、基於字節流的傳輸層通信協議，由IETF的RFC 793定義。在簡化的計算機網絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，與用戶數據報協議（UDP）是同一層內的，另一個重要的傳輸協議。在因特網協議族（Internet protocol suite）中，TCP層是位於IP層之上，應用層之下的中間層。不同主機的應用層之間經常需要可靠的、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協議不足了這一應用需求。

應用層向TCP層發送用於網間傳輸的、用8位字節表示的數據流，然後TCP把數據流分區成適當長度的報文段。之後TCP把結果包傳給IP層，由它來通過網絡將包傳送給接收端實體的TCP層。TCP爲了保證不發生丟包，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。然後接收端實體對已成功收到的包發回一個相應的確認（ACK）；如果發送端實體在合理的往返時延（RTT）內未收到確認，那麼對應的數據包就被假設爲已丟失將會被進行重傳。TCP用一個校驗和函數來檢驗數據是否有錯誤；在發送和接收時都要計算校驗和，以確保數據的正確性。TCP協議的數據包結構如下：

TCP數據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佔2個字節。用來告知主機該報文段是來自哪裏以及傳送給哪裏。進行 TCP 通訊時，客戶端通常使用系統自動選擇的臨時端口號，而服務器則根據應用不同使用知名服務端口號。

（2）序列號

序列號佔4個字節。 TCP是面向字節流的，在一個 TCP 連接中傳輸的字節流中的每個字節都按照順序編號。 由於序列號由32位表示，所以最大值爲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 協議可對 4GB 的數據進行編號，在一般情況下可保證當序號重複使用時，舊序號的數據早已經通過網絡到達終點或者丟失了。

（3）確認號

確認號也是佔4個字節。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據已經正確無誤的收到。確認號只有當ACK標誌爲1時纔有效。

（4）TCP首部長度

TCP首部長度也稱爲數據偏移佔半個字節 (4 位)。 它指出了 TCP報文段的數據起始處距離TCP報文的起始處有多遠。當了解了LwIP中TCP存儲數據結構後，會發現這個值是很有用的。

（5）TCP標誌位

TCP標誌位，一共有 6 個，分別佔 1 位，共 6 位 。每一位的值只有0和 1，分別表達不同意思。

• URG標誌，稱爲緊急標誌，當URG=1的時候，表示緊急指針有效。它告訴系統此報文段中有緊急數據，應儘快傳送，而不要按原來的排隊順序來傳送。URG標誌要與首部中的“緊急指針”字段配合使用。
• ACK標誌，稱爲確認標誌，當ACK=1的時候，確認號有效。一般稱帶有ACK標誌的TCP報文段爲“確認報文段”。TCP規定，在連接建立後所有傳送的報文段都必須把ACK設置爲1。
• PSH標誌，稱爲推送標誌，當PSH = 1的時候，表示該報文段高優先級，接收方TCP應該儘快推送給接收應用程序，而不用等到整個TCP緩存都填滿了後再交付。
• RST標誌，稱爲復位標誌，當RST =1的時候，表示TCP連接中出現嚴重錯誤，需要釋放並重新建立連接。一般稱攜帶RST標誌的TCP報文段爲“復位報文段”。
• SYN標誌，稱爲同步標誌，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標誌的TCP報文段爲“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，則應在響應的報文段中使SYN = 1和ACK = 1。
• FIN標誌，稱爲終止標誌，當FIN = 1時，表示此報文段的發送方的數據已經發送完畢，並要求釋放TCP連接。 一般稱攜帶FIN的報文段爲“結束報文段”。在TCP四次揮手釋放連接的時候，就會用到該標誌。

（6）窗口大小

窗口大小佔2字節。該字段明確指出了現在允許對方發送的數據量，它告訴對方本端的TCP接收緩衝區還能容納多少字節的數據，這樣對方就可以控制發送數據的速度。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送的數據量。

（7）校驗和

校驗和佔2個字節。由發送端填充，接收端對 TCP 報文段執行 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。檢驗範圍包括首部和數據兩部分，這也是 TCP 可靠傳輸的一個重要保障。

（8）緊急指針

緊急指針佔2個字節。僅在URG=1時纔有意義，它指出本報文段中的緊急數據的字節數。 當URG = 1時，發送方TCP就把緊急數據插入到本報文段數據的最前面，而在緊急數據後面的數據仍是普通數據。因此，緊急指針指出了緊急數據的末尾在報文段中的位置。

2、TCP客戶端設計

我們已經對TCP協議及其報文格式做了簡單說明，接下來我們將結合LwIP協議棧，使用RAW API實現一個TCP客戶端的簡單應用。

2.1、TCP相關的RAW API函數

在開始實現TCP服務器之前，我們首先來看一看LwIP中與TCP相關的RAW API函數有哪些。並簡單的瞭解一下其功能。

（1）、建立TCP連接的API函數：

       （2）、發送TCP數據的API函數：

       （3）、接收TCP數據的API函數：

（4）、TCP輪詢API函數：

（5）、關閉和中止TCP連接的API函數：

2.2、TCP客戶端的工作流程

我們已經瞭解了LwIP中實現TCP的RAW API函數，也有了實現TCP服務器的經驗，現在我們來實現一個客戶端操作。客戶端的工作流程我們簡單描述如下：

（1）、新建控制快

使用tcp_new()函數建立一個TCP控制塊。

（2）、綁定控制塊

對於客戶端來說，並不需要顯性的調用tcp_bind函數來爲其綁定IP和端口，因爲在客戶端向服務器發起連接時，LwIP內核會自動爲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

對於客戶端程序來說，它需要主動發起會話，應爲服務器一直在等待中，所以客戶端需要向服務器發送一個SYN握手報文。這一過程使用tcp_connect函數來完成。同時會註冊一個連接完成回調函數，因爲在連接建立後，內核就會調用這個函數。

（4）、發送請求

使用tcp_write函數發送一個數據通訊請求，當然要以服務器能夠理解的形式。其實就是告訴服務器，客戶端有什麼想要做的，然後等待服務器的反饋。

（5）、接收數據並處理

一旦連接成功，connect完成回調函數會調用tcp_recv函數註冊一個接收完成的處理函數。對於客戶端來說，接收到服務器返回的數據，就會調用這一回調函數進行處理。然後其處理過程與服務器類似：接收到數據後，首先通知更新接受窗口（使用tcp_recved函數），處理併發送數據（使用tcp_write函數），數據發送成功則清除已發送的數據（使用tcp_sent函數），最後關閉連接（使用函數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節所用到的主要函數，其他一些函數用到了但未列出，有興趣可以免查閱源碼或者看相關的手冊。

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。爲了方便操作我們已經將常用的端口以宏定義的形式存儲在一個文件中。現將常用的端口列於下，我們也是使用下列端口來實現我們的操作。

對於端口這塊奇石前面已經描述過了，在這裏只是簡單的說一下，因爲我們實現的功能比較簡單，依然使用TCP迴環協議端口。

3、TCP客戶端實現

經過上述的分析以及我們前面實現TCP服務器的經驗，實現TCP客戶端已經沒有問題。我們將TCP客戶端分成4個函數來實現。首先依然是實現TCP客戶端的初始化：

/* TCP客戶端初始化 */
void Tcp_Client_Initialization(void)
{
  struct tcp_pcb *tcp_client_pcb;
  ip_addr_t ipaddr;
  /* 將目標服務器的IP寫入一個結構體，爲pc機本地連接IP地址 */
  IP4_ADDR(&ipaddr,serverIP[0],serverIP[1],serverIP[2],serverIP[3]);
  /* 爲tcp客戶端分配一個tcp_pcb結構體    */
  tcp_client_pcb = tcp_new();
  /* 綁定本地端號和IP地址 */
  tcp_bind(tcp_client_pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_CLIENT_PORT);
  if (tcp_client_pcb != NULL)
  {
    /* 與目標服務器進行連接，參數包括了目標端口和目標IP */
    tcp_connect(tcp_client_pcb, &ipaddr, TCP_SERVER_PORT, TCPClientConnected);
    
    tcp_err(tcp_client_pcb, TCPClientConnectError);
  }
}

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註冊連接完成的處理回調函數；二是使用tcp_err註冊了連接錯誤處理回調函數。很明顯接下來我們需要實現這兩個函數。

連接到服務器成功後的回調函數是tcp_connected_fn類型。在客戶端建立一個連接後，內核會調用這個函數。在這個函數中，客戶端回想服務器發送最初的操作請求，並且會在這個函數中註冊數據接收處理回調函數。

/* TCP客戶端連接到服務器回調函數 */
static err_t TCPClientConnected(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err)
{
  char clientString[]="This is a new client connection.\r\n";
  /* 配置接收回調函數 */
  tcp_recv(pcb, TCPClientCallback);
  /* 發送一個建立連接的問候字符串*/
  tcp_write(pcb,clientString, strlen(clientString),0);
  return ERR_OK;
}

對於TCP客戶端連接服務器錯誤回調函數，它是tcp_err_fn類型，在這個程序中主要完成連接異常結束時的一些處理，可以釋放一些必要的資源。在這個函數被內核調用時，連接實際上已經斷開，相關控制塊也已經被刪除。所以在這個函數中我們可以重新初始化連接及其資源。在這裏額我們就是使用它來重新初始化TCP客戶端。

/* TCP客戶端連接服務器錯誤回調函數 */
static void TCPClientConnectError(void *arg, err_t err)
{
  /* 重新啓動連接 */
  Tcp_Client_Initialization();
}

最後我們需要實現的是TCP客戶端接收到數據後的數據處理回調函數。這個函數其實就是我們前面連接成功時，註冊過的TCP客戶端數據接收處理函數。這個函數是tcp_recv_fn類型。這是使用RAW API實現TCP客戶端功能最重要的一個函數，因爲它決定TCP客戶端的具體功能。

/* TCP客戶端接收到數據後的數據處理回調函數 */
static err_t TCPClientCallback(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, struct pbuf *tcp_recv_pbuf, err_t err)
{
  struct pbuf *tcp_send_pbuf;
  char echoString[]="This is the server content echo:\r\n";
  if (tcp_recv_pbuf != NULL)
  {
    /* 更新接收窗口 */
    tcp_recved(pcb, tcp_recv_pbuf->tot_len);
    /* 將接收到的服務器內容回顯*/
    tcp_write(pcb,echoString, strlen(echoString), 1);
    tcp_send_pbuf = tcp_recv_pbuf;
    tcp_write(pcb, tcp_send_pbuf->payload, tcp_send_pbuf->len, 1);
    pbuf_free(tcp_recv_pbuf);
  }
  else if (err == ERR_OK)
  {
    tcp_close(pcb);
    Tcp_Client_Initialization();
    return ERR_OK;
  }
  return ERR_OK;
}

到這裏，我們就實現了一個簡單的TCP客戶端。對於TCP客戶端的具體功能就在於就收處理回調函數的實現了。具體的應用只是功能上的複雜程度不一樣，結構上是一樣的。

4、結論

本篇我們基於LwIP實現了簡單的TCP客戶端應用。通過回調函數的實現方式，整個過程與TCP服務器的實現基本類似。我們用設計的TCP客戶端去連接TCP服務器應用，測試連接都沒有問題。當然，我們可以在此基礎上設計更復雜的應用層協議實現我們想要的功能，只需要在回調函數中添加處理就可以了。

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