基於TCP/IP協議的多線程雙向通信在OpenWrt上的實現

1、TCP/IP協議組

TCP/IP協議（傳輸控制協議）由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成。

IP層負責網絡主機的定位，數據傳輸的路由，由IP地址可以唯一的確定Internet上的一臺主機。

TCP層負責面向應用的可靠的或非可靠的數據傳輸機制，這是網絡編程的主要對象。

TCP/IP是個協議組，可分爲三個層次：網絡層、傳輸層和應用層：

網絡層：IP協議、ICMP協議、ARP協議、RARP協議和BOOTP協議；

傳輸層：TCP協議與UDP協議；

應用層：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等協議；

2、TCP特點：

TCP是面向連接的協議，通過三次握手建立連接，通訊完成時要拆除連接，由於TCP是面向連接協議，所以只能用於點對點的通訊。而且建立連接也需要消耗時間和開銷。

TCP傳輸數據無大小限制，進行大數據傳輸。

TCP是一個可靠的協議，它能保證接收方能夠完整正確地接收到發送方發送的全部數據。

TCP是一種面向連接的保證可靠傳輸的協議。通過TCP協議傳輸，得到的是一個順序的無差錯的數據流。發送方和接收方的成對的兩個socket之間必須建立連接，以便在TCP協議的基礎上進行通信，當一個socket（通常都是server socket）等待建立連接時，另一個socket可以要求進行連接，一旦這兩個socket連接起來，它們就可以進行雙向數據傳輸，雙方都可以進行發送或接收操作。

3、HTTP

HTTP協議是建立在TCP協議之上的一種應用，HTTP連接使用的是“請求—響應”的方式，不僅在請求時需要先建立TCP連接，而且需要客戶端向服務器發出請求後，請求中包含請求方法、URI、協議版本以及相關的MIME樣式的消息，服務器端才能回覆數據，包含消息的協議版本、一個成功和失敗碼以及相關的MIME式樣的消息。在請求結束後，會主動釋放連接。從建立連接到關閉連接的過程稱爲“一次連接”。
由於HTTP在每次請求結束後都會主動釋放連接，因此HTTP連接是一種“短連接”，要保持客戶端程序的在線狀態，需要不斷地向服務器發起連接請求。通常的做法是即時不需要獲得任何數據，客戶端也保持每隔一段固定的時間向服務器發送一次“保持連接”的請求，服務器在收到該請求後對客戶端進行回覆，表明知道客戶端“在線”。若服務器長時間無法收到客戶端的請求，則認爲客戶端“下線”，若客戶端長時間無法收到服務器的回覆，則認爲網絡已經斷開。

結論：HTTP是應用層協議，其傳輸都是被包裝成TCP協議傳輸。可以用SOCKET實現HTTP。SOCKET是實現傳輸層協議的一種編程API，可以是TCP，也可以是UDP。

4、Socket

Socket通常也稱作”套接字“，用於描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。網絡上的兩個程序通過一個雙向的通訊連接實現數據的交換，這個雙向鏈路的一端稱爲一個Socket，一個Socket由一個IP地址和一個端口號唯一確定。應用程序通常通過”套接字”向網絡發出請求或者應答網絡請求。Socket是TCP/IP協議的一個十分流行的編程界面，但是，Socket所支持的協議種類也不光TCP/IP一種，因此兩者之間是沒有必然聯繫的。

1、套接字（socket）概念：

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。它是網絡通信過程中端點的抽象表示，包含進行網絡通信必須的五種信息：連接使用的協議，本地主機的IP地址，本地進程的協議端口，遠地主機的IP地址，遠地進程的協議端口。

簡單地說，套接字就是網絡進程的ID，網絡通信歸根到底是進程的通信，在網絡中，每個節點有一個網絡地址（即IP地址），兩個進程通信時，首先要確定各自所在網絡節點的網絡地址，但是，網絡地址只能確定進程所在的計算機，而一臺計算機上可能同時有多個網絡進程，還不能確定到底是其中的哪個進程，由此套接字中還要有其他的信息，那就是端口號（Port），在一臺計算機中，一個端口一次只能分配給一個進程，即端口號與進程是一一對應的關係，所以，端口號和網絡地址就能唯一地確定Internet中的一個網絡進程。可以認爲：套接字=網絡地址+端口號。

2、Socket通訊過程：

服務端監聽某個端口是否有連接請求，客戶端向服務端發送連接請求，服務端收到連接請求向客戶端發出接收消息，這樣一個連接就建立起來了。客戶端和服務端都可以相互發送消息與對方進行通訊。

3、建立socket連接：

建立Socket連接至少需要一對套接字，其中一個運行於客戶端，稱爲ClientSocket ，另一個運行於服務器端，稱爲ServerSocket。

4、套接字之間的連接過程分爲三個步驟：服務器監聽，客戶端請求，連接確認。

服務器監聽：服務器端套接字並不定位具體的客戶端套接字，而是處於等待連接的狀態，實時監控網絡狀態，等待客戶端的連接請求；

客戶端請求：指客戶端的套接字提出連接請求，要連接的目標是服務器端的套接字。爲此，客戶端的套接字必須首先描述它要連接的服務器的套接字，指出服務器端套接字的地址和端口號，然後就向服務器端套接字提出連接請求。

連接確認：當服務器端套接字監聽到或者說接收到客戶端套接字的連接請求時，就響應客戶端套接字的請求，建立一個新的線程，把服務器端套接字的描述發給客戶端，一旦客戶端確認了此描述，雙方就正式建立連接。而服務器端套接字繼續處於監聽狀態，繼續接收其他客戶端套接字的連接請求。

5、一個服務器如何爲多個客戶端併發服務

應用層通過傳輸層進行數據通信時，TCP會遇到同時爲多個應用程序進程提供併發服務的問題。多個TCP連接或多個應用程序進程可能需要通過同一個TCP協議端口傳輸數據。爲了區別不同的應用程序進程和連接，許多計算機操作系統爲應用程序與TCP／IP協議交互提供了套接字(Socket)接口。應用層可以和傳輸層通過Socket接口，區分來自不同應用程序進程或網絡連接的通信，實現數據傳輸的併發服務。

6、SOCKET連接與TCP連接

創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket可以支持不同的傳輸層協議（TCP或UDP），當使用TCP協議進行連接時，該Socket連接就是一個TCP連接。

Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把複雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口後面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議。

【適用情況】
很多情況下，需要服務器端主動向客戶端推送數據，保持客戶端與服務器數據的實時與同步。此時若雙方建立的是Socket連接，服務器就可以直接將數據傳送給客戶端；

5、多線程雙向通信在OpenWrt上的實現

注意：使用多線程鏈接庫時，OpenWrt的Makefile文件的編寫注意事項，請參考此處

有關socket編程用到函數請參考 socket

1、TCP編程的客戶端一般步驟：

1、創建一個socket，用函數socket()；
2、設置socket屬性，用函數setsockopt()；* 可選；
3、綁定IP地址、端口等信息到socket上，用函數bind()；* 可選；
4、設置要連接的對方的IP地址和端口等屬性；
5、連接服務器，用函數connect()；
6、收發數據，用函數send()和recv()，或者read()和write()；
7、關閉網絡連接；

2、TCP編程的服務器端一般步驟：

1、創建一個socket，用函數socket()；
2、設置socket屬性，用函數setsockopt()； * 可選；
3、綁定IP地址、端口等信息到socket上，用函數bind()；
4、開啓監聽，用函數listen()；
5、接收客戶端上來的連接，用函數accept()；
6、收發數據，用函數send()和recv()，或者read()和write()；
7、關閉網絡連接；
8、關閉監聽；

3、客戶端源代碼（thread_tcpclient.c）：
功能介紹：
1、主線程裏用於接收服務器發來的數據，子線程 ntid 用於掃描鍵盤輸入，併發送給服務器端，實現雙向通信。
2、通過發送字符 ‘p’ 到服務器端，服務器的接收子線程返回，並停止服務器的發送，進入監聽狀態。

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

#define PORT 8082
#define MAXBUF 512

char send_buf[MAXBUF+1];
void *thread(void *x)  
{  
    int new_fd = *((int*)x);
    while(1)
    {
        bzero(send_buf, MAXBUF + 1);
        scanf("%s",send_buf);
        send(new_fd, send_buf, strlen(send_buf), 0); //第 4 步 向套接字中寫入字符串
    }
    return NULL;  
} 

char recv_buf[MAXBUF+1];
int main()
{
   int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//第 1 步 創建一個體套接字
   struct sockaddr_in svraddr;//第 2 步 設置 addr 結構體
   svraddr.sin_family=AF_INET;//使用 internet 協議
   svraddr.sin_port=htons(PORT);
   inet_aton("192.168.10.1",&svraddr.sin_addr);
   connect(sockfd,(struct sockaddr*)&svraddr,sizeof(svraddr));//第 3 步 連接服務器

   pthread_t ntid;
   pthread_create(&ntid,NULL,thread,&sockfd);

   while(1)
   {
     bzero(recv_buf, MAXBUF + 1);/* 接收對方發過來的消息，最多接收 MAXBUF 個字節 */
     int len = recv(sockfd, recv_buf, MAXBUF, 0);/* 接收服務器來的消息 */
     if(len > 0)
        printf("接收消息成功:'%s'，共%d個字節的數據\n", recv_buf, len);
     else
        printf("消息接收失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
   }
 /* 關閉連接 */
 close(sockfd);
 return 0;
}

4、服務器端源代碼（thread_tcpserver.c）：

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

#define PORT 8082
#define MAXBUF 512

char recv_buf[MAXBUF+1];
char link_state=1;
void* fun(void* x)
{
   //printf("enter thread!\r\n");
   pthread_detach(pthread_self());//非阻塞
   int new_fd=*((int*)x);
   while(1)
   {
     bzero(recv_buf, MAXBUF + 1);
     int len = recv(new_fd, recv_buf, MAXBUF, 0);
     if(recv_buf[0] == 'p')
     {
        link_state = 0;
        printf("------------客戶端要斷開！服務器別再發了！----------\r\n");
        break;
     }
   }
   return NULL;
}

char send_buf[MAXBUF+1];
int newfd;
int inewfd=0;
int main()
{
   int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//第 1 步 創建套接字
   struct sockaddr_in svraddr;//第 2 步 設置地址結構體
   svraddr.sin_family=AF_INET;//使用 internet 協議
   svraddr.sin_port=htons(PORT);
   inet_aton("0.0.0.0",&svraddr.sin_addr);
   int ret=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&svraddr,sizeof(svraddr));//第 3 步 綁定
   if(ret<0)
   {
    printf("error bind!\r\n");
    exit(-1);
   }
   listen(sockfd,2);//第 4 步 監聽，最多兩個client
   while(1)
   {
     newfd=accept(sockfd,NULL,NULL); //第 5 步 接收
     pthread_t ntid;
     pthread_create(&ntid,NULL,fun,&newfd); 
     while(1)
     {
        if(link_state == 0)
            break;
        bzero(send_buf, MAXBUF + 1);
        strcpy(send_buf, "hello,my client!\n");
        int len = send(newfd, send_buf, strlen(send_buf), 0);//發消息給客戶端
        if(len < 0) 
            printf("消息發送失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
         else 
            printf("消息發送成功，共發送了%d個字節！\n", len);
        sleep(1);
     }
     link_state = 1;
   }
 /* 關閉連接 */
 close(sockfd);
 return 0;
}

參考文章：
[0] 聊聊Socket、TCP/IP、HTTP、FTP及網絡編程
[1] socket–目錄清晰
[2] Tcp多線程服務器和客戶端程序
[3] linux 網絡編程：客戶端與服務器通過TCP協議相互通信 + UDP
[4] tcp 服務端如何判斷客戶端斷開連接
[5] socket選項自帶的TCP異常斷開檢測
[6] 服務器中判斷客戶端socket斷開連接的方法
[7]計算機網絡學習筆記–OSI七層體系結構
[8]基於Linux操作系統下的TCP/IP網絡通信研究與應用

由於篇幅有限，有關多線程的知識將在下次博客中介紹。

                                                                 @本文作者：LeatherWang

基於TCP/IP協議的多線程雙向通信在OpenWrt上的實現

1、TCP/IP協議組

2、TCP特點：

3、HTTP

4、Socket

5、多線程雙向通信在OpenWrt上的實現

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