基于LwIP的TCP服务器设计

前面我们实现了UDP服务器及客户端以及基于其上的TFTP应用服务器。接下来我们将实现同样广泛应用的TCP协议各类应用。

1 、 TCP****简述

　　TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，与用户数据报协议（UDP）是同一层内的，另一个重要的传输协议。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层本身不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换，恰好TCP协议不足了这一应用需求。

　　应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段。之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认（ACK）；如果发送端实体在合理的往返时延（RTT）内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和，以确保数据的正确性。TCP协议的数据包结构如下：

　　TCP数据包中各部分的含义如下：

（ 1 ）源端口和目标端口

　　源端口和目标端口各占2个字节。用来告知主机该报文段是来自哪里以及传送给哪里。进行 TCP 通讯时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号，而服务器则根据应用不同使用知名服务端口号。

（ 2 ）序列号

　　序列号占4个字节。 TCP是面向字节流的，在一个 TCP 连接中传输的字节流中的每个字节都按照顺序编号。 由于序列号由32位表示，所以最大值为2的32次方，序号增加到最大值的时候，下一个序号又回到了0。也就是说 TCP 协议可对 4GB 的数据进行编号，在一般情况下可保证当序号重复使用时，旧序号的数据早已经通过网络到达终点或者丢失了。

（ 3 ）确认号

　　确认号也是占4个字节。表示期望收到对方下一个报文段的序号值。 表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。

（ 4 ） TCP****首部长度

　　TCP首部长度也称为数据偏移占半个字节 (4 位)。 它指出了 TCP报文段的数据起始处距离TCP报文的起始处有多远。当了解了LwIP中TCP存储数据结构后，会发现这个值是很有用的。

（ 5 ） TCP****标志位

　　TCP标志位，一共有 6 个，分别占 1 位，共 6 位 。每一位的值只有0和 1，分别表达不同意思。

• URG 标志 ，称为紧急标志，当URG=1的时候，表示紧急指针有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送，而不要按原来的排队顺序来传送。URG标志要与首部中的“紧急指针”字段配合使用。
• ACK 标志 ，称为确认标志，当ACK=1的时候，确认号有效。一般称带有ACK标志的TCP报文段为“确认报文段”。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK设置为1。
• PSH 标志 ，称为推送标志，当PSH = 1的时候，表示该报文段高优先级，接收方TCP应该尽快推送给接收应用程序，而不用等到整个TCP缓存都填满了后再交付。
• RST 标志 ，称为复位标志，当RST =1的时候，表示TCP连接中出现严重错误，需要释放并重新建立连接。一般称携带RST标志的TCP报文段为“复位报文段”。
• SYN 标志 ，称为同步标志，当SYN = 1的时候，表明这是一个请求连接报文段。一般称携带SYN标志的TCP报文段为“同步报文段”。在TCP 三次握手中的第一个报文就是同步报文段，在连接建立时用来同步序号。 对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN = 1和ACK = 1。
• FIN 标志 ，称为终止标志，当FIN = 1时，表示此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放TCP连接。 一般称携带FIN的报文段为“结束报文段”。在TCP四次挥手释放连接的时候，就会用到该标志。

（ 6 ）窗口大小

　　窗口大小占2字节。该字段明确指出了现在允许对方发送的数据量，它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。窗口大小的值是指，从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量。

（ 7 ）校验和

　　校验和占2个字节。由发送端填充，接收端对 TCP 报文段执行 CRC 算法，以检验 TCP 报文段在传输过程中是否损坏，如果损坏这丢弃。检验范围包括首部和数据两部分，这也是 TCP 可靠传输的一个重要保障。

（ 8 ）紧急指针

　　紧急指针占2个字节。仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。 当URG = 1时，发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。因此，紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。

2 、 TCP****服务器设计

　　我们已经对TCP协议及其报文格式做了简单说明，接下来我们将结合LwIP协议栈，使用RAW API实现一个TCP服务器的简单应用。

2.1 、 TCP相关的RAW API****函数

　　在开始实现TCP服务器之前，我们首先来看一看LwIP中与TCP相关的RAW API函数有哪些。并简单的了解一下其功能。

2.1.1 、建立TCP连接的API函数：

2.1.2 、发送TCP数据的API函数：

2.1.3 、接收TCP数据的API函数：

2.1.4 、 TCP轮询API****函数：

2.1.5 、关闭和中止TCP连接的API函数：

2.2 、 TCP****服务器的工作流程

　　我们已经了解了TCP所涉及到的API函数，那么使用这些函数怎么实现一个TCP服务器呢？我们先简单说明一下其基本的流程。

2.2.1 、新建控制块

　　使用tcp_new()函数建立一个TCP控制块。

2.2.2 、绑定控制块

　　对于服务器来说，新建一个控制快后，需要在控制块上绑定本地IP和端口，以方便客户端的连接。

2.2.3 、控制块侦听

　　使用tcp_listen函数，对于服务器来说，我们需要显性调用tcp_listen函数以使控制块进入监听状态，等待客户端的连接请求。

2.2.4 、建立连接

　　其实在我们调用tcp_listen函数进入服务器监听状态后，需要马上使用tcp_accept函数来注册一个接收处理函数，因为一旦有客户端连接请求被成功建立后，服务器就会调用这个处理函数。

2.2.5 、接受并处理数据

　　一旦连接成功，accept回调函数会调用tcp_recv函数注册一个接收完成的处理函数。对于服务器来说，接收到了客户端的数据或操作要求，就会调用这一回调函数进行处理。这其实是一个复杂的过程：接收到数据后，首先通知更新接受窗口（使用tcp_recved函数），处理并发送数据（使用tcp_write函数），数据发送成功则清除已发送的数据（使用tcp_sent函数），最后关闭连接（使用函数tcp_close）。

　　用流程图表述如下：

　　在上述流程图中我们列出了每一环节所用到的主要函数，其他一些函数用到了但未列出，有兴趣可以免查阅源码或者看相关的手册。

2.3 、常用端口

　　TCP所使用的端口有很多与UDP是相同的，也有一些不一样。为了方便操作我们已经将常用的端口以宏定义的形式存储在一个文件中。现将常用的端口列于下，我们也是使用下列端口来实现我们的操作。

　　在这里我们只是设计一个简单的TCP服务器，并不设定任何复杂的应用，所以我们选择使用TCP回显协议端口。

3 、 TCP****服务器实现

　　我们已经分析了TCP服务器的工作流程，我们将其划分为三个部分来实现：首先是TCP服务器的初始化。其实现代码如下：

1 /* TCP服务器初始化 */
 2 void Tcp_Server_Initialization(void)
 3 {
 4   struct tcp_pcb *tcp_server_pcb;
 5  
 6   /* 为tcp服务器分配一个tcp_pcb结构体 */
 7   tcp_server_pcb = tcp_new();
 8  
 9   /* 绑定本地端号和IP地址 */
10   tcp_bind(tcp_server_pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_SERVER_PORT);
11  
12   /* 监听之前创建的结构体tcp_server_pcb */
13   tcp_server_pcb = tcp_listen(tcp_server_pcb);
14  
15   /* 初始化结构体接收回调函数 */
16   tcp_accept(tcp_server_pcb, TCPServerAccept);
17 }

　　其次是实现TCP服务器接收回调函数，该函数为tcp_accept_fn类型，注册到了监听控制块的accept字段。在服务器上有新连接建立时就会被内核调用。在这个函数中，我们必须要实现一个非常重要的功能，就是注册TCP服务器数据接收处理函数。

1 /* TCP服务器接收回调函数，当客户端建立连接后本函数被调用 */
2 static err_t TCPServerAccept(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err)
3 {
4   /* 注册接收回调函数 */
5   tcp_recv(pcb, TCPServerCallback);
6  
7   return ERR_OK;
8 }

　　最后，不用说就是要实现TCP服务器的具体实现功能。这个函数其实就是我们前面注册过的TCP服务器数据接收处理函数。这个函数是tcp_recv_fn类型。这是使用RAW API实现TCP服务器最重要的函数，因为我们实现的TCP服务器究竟有什么功能，完全依赖于这个函数及其所掉用的函数。

1 /* TCP服务器数据处理服务器回调函数 */
 2 static err_t TCPServerCallback(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, struct pbuf *tcp_recv_pbuf, err_t err)
 3 {
 4   struct pbuf *tcp_send_pbuf;
 5   char echoString[]="This is the client content echo:\\r\\n";
 6  
 7   if (tcp_recv_pbuf != NULL)
 8   {
 9     /* 更新接收窗口 */
10     tcp_recved(pcb, tcp_recv_pbuf->tot_len);
11  
12     /* 将接收的数据拷贝给发送结构体 */
13     tcp_send_pbuf = tcp_recv_pbuf;
14     tcp_write(pcb,echoString, strlen(echoString), 1);
15     /* 将接收到的数据再转发出去 */
16     tcp_write(pcb, tcp_send_pbuf->payload, tcp_send_pbuf->len, 1);
17  
18     pbuf_free(tcp_recv_pbuf);
19     tcp_close(pcb);
20   }
21   else if (err == ERR_OK)
22   {
23     return tcp_close(pcb);
24   }
25  
26   return ERR_OK;
27 }

　　这里我们只是实现了简单的回环服务器操作功能，如果需要更为复杂的功能，甚至与更复杂的应用层协议都可在此基础上扩展。

4 、结论

　　本篇我们基于LwIP实现了简单的TCP服务器应用。通过回调函数的实现方式，整个过程与UDP的实现基本类似。我们采用TCP客户端软件测试连接都没有问题。如果想基于TCP服务器实现更为复杂的应用，如Modbus TCP等只需要在回调函数中实现响应的功能就可以了。