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[OpenWrt]实现基于TCPIP协议的多线程双向通信

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1、TCP/IP协议组

TCP/IP协议（传输控制协议）由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

  • IP层负责网络主机的定位，数据传输的路由，由IP地址可以唯一的确定Internet上的一台主机。
  • TCP层负责面向应用的可靠的或非可靠的数据传输机制，这是网络编程的主要对象。

TCP/IP是个协议组，可分为三个层次：网络层、传输层和应用层：

  • 网络层：IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议；
  • 传输层：TCP协议与UDP协议；
  • 应用层：FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议；

这里写图片描述

2、TCP特点：

  • TCP是面向连接的协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接协议，所以只能用于点对点的通讯。而且建立连接也需要消耗时间和开销。
  • TCP传输数据无大小限制，进行大数据传输。
  • TCP是一个可靠的协议，它能保证接收方能够完整正确地接收到发送方发送的全部数据。

TCP是一种面向连接的保证可靠传输的协议。通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。

3、HTTP

HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用，HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立TCP连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息，服务器端才能回复数据，包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。
由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。通常的做法是即时不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。

结论：HTTP是应用层协议，其传输都是被包装成TCP协议传输。可以用SOCKET实现HTTP。SOCKET是实现传输层协议的一种编程API，可以是TCP，也可以是UDP。

4、Socket

Socket通常也称作”套接字“，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。网络上的两个程序通过一个双向的通讯连接实现数据的交换，这个双向链路的一端称为一个Socket，一个Socket由一个IP地址和一个端口号唯一确定。应用程序通常通过”套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。Socket是TCP/IP协议的一个十分流行的编程界面，但是，Socket所支持的协议种类也不光TCP/IP一种，因此两者之间是没有必然联系的。

1、套接字（socket）概念：

套接字（socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

简单地说，套接字就是网络进程的ID，网络通信归根到底是进程的通信，在网络中，每个节点有一个网络地址（即IP地址），两个进程通信时，首先要确定各自所在网络节点的网络地址，但是，网络地址只能确定进程所在的计算机，而一台计算机上可能同时有多个网络进程，还不能确定到底是其中的哪个进程，由此套接字中还要有其他的信息，那就是端口号（Port），在一台计算机中，一个端口一次只能分配给一个进程，即端口号与进程是一一对应的关系，所以，端口号和网络地址就能唯一地确定Internet中的一个网络进程。可以认为：套接字=网络地址+端口号。

2、Socket通讯过程：

服务端监听某个端口是否有连接请求，客户端向服务端发送连接请求，服务端收到连接请求向客户端发出接收消息，这样一个连接就建立起来了。客户端和服务端都可以相互发送消息与对方进行通讯。

3、建立socket连接：

建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket ，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

4、套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

  • 服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求；
  • 客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
  • 连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

5、一个服务器如何为多个客户端并发服务

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。

6、SOCKET连接与TCP连接

  • 创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。
  • Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

【适用情况】
很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给客户端；

5、多线程双向通信在OpenWrt上的实现

注意：使用多线程链接库时，OpenWrt的Makefile文件的编写注意事项，请参考 此处

有关socket编程用到函数请参考 socket

1、TCP编程的客户端一般步骤:

1、创建一个socket，用函数socket()；
2、设置socket属性，用函数setsockopt()； 可选；
3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()； 可选；
4、设置要连接的对方的IP地址和端口等属性；
5、连接服务器，用函数connect()；
6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write()；
7、关闭网络连接；

2、TCP编程的服务器端一般步骤：

1、创建一个socket，用函数socket()；
2、设置socket属性，用函数setsockopt()； * 可选；
3、绑定IP地址、端口等信息到socket上，用函数bind()；
4、开启监听，用函数listen()；
5、接收客户端上来的连接，用函数accept()；
6、收发数据，用函数send()和recv()，或者read()和write()；
7、关闭网络连接；
8、关闭监听；

3、客户端源代码（thread_tcpclient.c）：
功能介绍：
1、主线程里用于接收服务器发来的数据，子线程 ntid 用于扫描键盘输入，并发送给服务器端，实现双向通信。
2、通过发送字符 ‘p’ 到服务器端，服务器的接收子线程返回，并停止服务器的发送，进入监听状态。

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#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 向套接字中写入字符串
    }
    return NULL;  
} 

char recv_buf[MAXBUF+1];
int main()
{
   int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//第 1 步 创建一个体套接字
   struct sockaddr_in svraddr;//第 2 步 设置 addr 结构体
   svraddr.sin_family=AF_INET;//使用 internet 协议
   svraddr.sin_port=htons(PORT);
   inet_aton("192.168.10.1",&svraddr.sin_addr);
   connect(sockfd,(struct sockaddr*)&svraddr,sizeof(svraddr));//第 3 步 连接服务器

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

   while(1)
   {
     bzero(recv_buf, MAXBUF + 1);/* 接收对方发过来的消息，最多接收 MAXBUF 个字节 */
     int len = recv(sockfd, recv_buf, MAXBUF, 0);/* 接收服务器来的消息 */
     if(len > 0)
        printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据\n", recv_buf, len);
     else
        printf("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
   }
 /* 关闭连接 */
 close(sockfd);
 return 0;
}

4、服务器端源代码（thread_tcpserver.c）：

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#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("------------客户端要断开！服务器别再发了！----------\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 创建套接字
   struct sockaddr_in svraddr;//第 2 步 设置地址结构体
   svraddr.sin_family=AF_INET;//使用 internet 协议
   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 绑定
   if(ret<0)
   {
    printf("error bind!\r\n");
    exit(-1);
   }
   listen(sockfd,2);//第 4 步 监听，最多两个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);//发消息给客户端
        if(len < 0) 
            printf("消息发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n", errno, strerror(errno));
         else 
            printf("消息发送成功，共发送了%d个字节！\n", len);
        sleep(1);
     }
     link_state = 1;
   }
 /* 关闭连接 */
 close(sockfd);
 return 0;
}

转自：https://blog.csdn.net/hzwwpgmwy/article/details/67641579

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