前面我們實現(xiàn)了UDP服務器及客戶端以及基于其上的TFTP應用服務器。接下來我們將實現(xiàn)同樣廣泛應用的TCP協(xié)議各類應用。

1 、 TCP****簡述

TCP（Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，由IETF的RFC 793定義。在簡化的計算機網(wǎng)絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，與用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）是同一層內(nèi)的，另一個重要的傳輸協(xié)議。在因特網(wǎng)協(xié)議族（Internet protocol suite）中，TCP層是位于IP層之上，應用層之下的中間層。不同主機的應用層之間經(jīng)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(xié)議不足了這一應用需求。

應用層向TCP層發(fā)送用于網(wǎng)間傳輸?shù)摹⒂?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流，然后TCP把數(shù)據(jù)流分區(qū)成適當長度的報文段。之后TCP把結果包傳給IP層，由它來通過網(wǎng)絡將包傳送給接收端實體的TCP層。TCP為了保證不發(fā)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。然后接收端實體對已成功收到的包發(fā)回一個相應的確認（ACK）；如果發(fā)送端實體在合理的往返時延（RTT）內(nèi)未收到確認，那么對應的數(shù)據(jù)包就被假設為已丟失將會被進行重傳。TCP用一個校驗和函數(shù)來檢驗數(shù)據(jù)是否有錯誤；在發(fā)送和接收時都要計算校驗和，以確保數(shù)據(jù)的正確性。TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包結構如下：

TCP數(shù)據(jù)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占2個字節(jié)。用來告知主機該報文段是來自哪里以及傳送給哪里。進行 TCP 通訊時，客戶端通常使用系統(tǒng)自動選擇的臨時端口號，而服務器則根據(jù)應用不同使用知名服務端口號。

（ 2 ）序列號

序列號占4個字節(jié)。 TCP是面向字節(jié)流的，在一個 TCP 連接中傳輸?shù)淖止?jié)流中的每個字節(jié)都按照順序編號。 由于序列號由32位表示，所以最大值為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(xié)議可對 4GB 的數(shù)據(jù)進行編號，在一般情況下可保證當序號重復使用時，舊序號的數(shù)據(jù)早已經(jīng)通過網(wǎng)絡到達終點或者丟失了。

（ 3 ）確認號

確認號也是占4個字節(jié)。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(shù)據(jù)已經(jīng)正確無誤的收到。確認號只有當ACK標志為1時才有效。

（ 4 ） TCP****首部長度

TCP首部長度也稱為數(shù)據(jù)偏移占半個字節(jié) (4 位)。 它指出了 TCP報文段的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結構后，會發(fā)現(xiàn)這個值是很有用的。

（ 5 ） TCP****標志位

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

• URG 標志 ，稱為緊急標志，當URG=1的時候，表示緊急指針有效。它告訴系統(tǒng)此報文段中有緊急數(shù)據(jù)，應盡快傳送，而不要按原來的排隊順序來傳送。URG標志要與首部中的“緊急指針”字段配合使用。
• ACK 標志 ，稱為確認標志，當ACK=1的時候，確認號有效。一般稱帶有ACK標志的TCP報文段為“確認報文段”。TCP規(guī)定，在連接建立后所有傳送的報文段都必須把ACK設置為1。
• PSH 標志 ，稱為推送標志，當PSH = 1的時候，表示該報文段高優(yōu)先級，接收方TCP應該盡快推送給接收應用程序，而不用等到整個TCP緩存都填滿了后再交付。
• RST 標志 ，稱為復位標志，當RST =1的時候，表示TCP連接中出現(xiàn)嚴重錯誤，需要釋放并重新建立連接。一般稱攜帶RST標志的TCP報文段為“復位報文段”。
• SYN 標志 ，稱為同步標志，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標志的TCP報文段為“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 標志 ，稱為終止標志，當FIN = 1時，表示此報文段的發(fā)送方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，并要求釋放TCP連接。 一般稱攜帶FIN的報文段為“結束報文段”。在TCP四次揮手釋放連接的時候，就會用到該標志。

（ 6 ）窗口大小

窗口大小占2字節(jié)。該字段明確指出了現(xiàn)在允許對方發(fā)送的數(shù)據(jù)量，它告訴對方本端的TCP接收緩沖區(qū)還能容納多少字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣對方就可以控制發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)送的數(shù)據(jù)量。

（ 7 ）校驗和

校驗和占2個字節(jié)。由發(fā)送端填充，接收端對 TCP 報文段執(zhí)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。檢驗范圍包括首部和數(shù)據(jù)兩部分，這也是 TCP 可靠傳輸?shù)囊粋€重要保障。

（ 8 ）緊急指針

緊急指針占2個字節(jié)。僅在URG=1時才有意義，它指出本報文段中的緊急數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 當URG = 1時，發(fā)送方TCP就把緊急數(shù)據(jù)插入到本報文段數(shù)據(jù)的最前面，而在緊急數(shù)據(jù)后面的數(shù)據(jù)仍是普通數(shù)據(jù)。因此，緊急指針指出了緊急數(shù)據(jù)的末尾在報文段中的位置。

2 、 TCP****服務器設計

我們已經(jīng)對TCP協(xié)議及其報文格式做了簡單說明，接下來我們將結合LwIP協(xié)議棧，使用RAW API實現(xiàn)一個TCP服務器的簡單應用。

2.1 、 TCP相關的RAW API****函數(shù)

在開始實現(xiàn)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(shù)有哪些。并簡單的了解一下其功能。

2.1.1 、建立TCP連接的API函數(shù)：

2.1.2 、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)的API函數(shù)：

2.1.3 、接收TCP數(shù)據(jù)的API函數(shù)：

2.1.4 、 TCP輪詢API****函數(shù)：

2.1.5 、關閉和中止TCP連接的API函數(shù)：

2.2 、 TCP****服務器的工作流程

我們已經(jīng)了解了TCP所涉及到的API函數(shù)，那么使用這些函數(shù)怎么實現(xiàn)一個TCP服務器呢？我們先簡單說明一下其基本的流程。

2.2.1 、新建控制塊

使用tcp_new()函數(shù)建立一個TCP控制塊。

2.2.2 、綁定控制塊

對于服務器來說，新建一個控制快后，需要在控制塊上綁定本地IP和端口，以方便客戶端的連接。

2.2.3 、控制塊偵聽

使用tcp_listen函數(shù)，對于服務器來說，我們需要顯性調(diào)用tcp_listen函數(shù)以使控制塊進入監(jiān)聽狀態(tài)，等待客戶端的連接請求。

2.2.4 、建立連接

其實在我們調(diào)用tcp_listen函數(shù)進入服務器監(jiān)聽狀態(tài)后，需要馬上使用tcp_accept函數(shù)來注冊一個接收處理函數(shù)，因為一旦有客戶端連接請求被成功建立后，服務器就會調(diào)用這個處理函數(shù)。

2.2.5 、接受并處理數(shù)據(jù)

一旦連接成功，accept回調(diào)函數(shù)會調(diào)用tcp_recv函數(shù)注冊一個接收完成的處理函數(shù)。對于服務器來說，接收到了客戶端的數(shù)據(jù)或操作要求，就會調(diào)用這一回調(diào)函數(shù)進行處理。這其實是一個復雜的過程：接收到數(shù)據(jù)后，首先通知更新接受窗口（使用tcp_recved函數(shù)），處理并發(fā)送數(shù)據(jù)（使用tcp_write函數(shù)），數(shù)據(jù)發(fā)送成功則清除已發(fā)送的數(shù)據(jù)（使用tcp_sent函數(shù)），最后關閉連接（使用函數(shù)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(huán)節(jié)所用到的主要函數(shù)，其他一些函數(shù)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。為了方便操作我們已經(jīng)將常用的端口以宏定義的形式存儲在一個文件中?，F(xiàn)將常用的端口列于下，我們也是使用下列端口來實現(xiàn)我們的操作。

在這里我們只是設計一個簡單的TCP服務器，并不設定任何復雜的應用，所以我們選擇使用TCP回顯協(xié)議端口。

3 、 TCP****服務器實現(xiàn)

我們已經(jīng)分析了TCP服務器的工作流程，我們將其劃分為三個部分來實現(xiàn)：首先是TCP服務器的初始化。其實現(xiàn)代碼如下：

1 /* TCP服務器初始化 */
 2 void Tcp_Server_Initialization(void)
 3 {
 4   struct tcp_pcb *tcp_server_pcb;
 5  
 6   /* 為tcp服務器分配一個tcp_pcb結構體 */
 7   tcp_server_pcb = tcp_new();
 8  
 9   /* 綁定本地端號和IP地址 */
10   tcp_bind(tcp_server_pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_SERVER_PORT);
11  
12   /* 監(jiān)聽之前創(chuàng)建的結構體tcp_server_pcb */
13   tcp_server_pcb = tcp_listen(tcp_server_pcb);
14  
15   /* 初始化結構體接收回調(diào)函數(shù) */
16   tcp_accept(tcp_server_pcb, TCPServerAccept);
17 }

其次是實現(xiàn)TCP服務器接收回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)為tcp_accept_fn類型，注冊到了監(jiān)聽控制塊的accept字段。在服務器上有新連接建立時就會被內(nèi)核調(diào)用。在這個函數(shù)中，我們必須要實現(xiàn)一個非常重要的功能，就是注冊TCP服務器數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)。

1 /* TCP服務器接收回調(diào)函數(shù)，當客戶端建立連接后本函數(shù)被調(diào)用 */
2 static err_t TCPServerAccept(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err)
3 {
4   /* 注冊接收回調(diào)函數(shù) */
5   tcp_recv(pcb, TCPServerCallback);
6  
7   return ERR_OK;
8 }

最后，不用說就是要實現(xiàn)TCP服務器的具體實現(xiàn)功能。這個函數(shù)其實就是我們前面注冊過的TCP服務器數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)。這個函數(shù)是tcp_recv_fn類型。這是使用RAW API實現(xiàn)TCP服務器最重要的函數(shù)，因為我們實現(xiàn)的TCP服務器究竟有什么功能，完全依賴于這個函數(shù)及其所掉用的函數(shù)。

1 /* TCP服務器數(shù)據(jù)處理服務器回調(diào)函數(shù) */
 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     /* 將接收的數(shù)據(jù)拷貝給發(fā)送結構體 */
13     tcp_send_pbuf = tcp_recv_pbuf;
14     tcp_write(pcb,echoString, strlen(echoString), 1);
15     /* 將接收到的數(shù)據(jù)再轉發(fā)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 }

這里我們只是實現(xiàn)了簡單的回環(huán)服務器操作功能，如果需要更為復雜的功能，甚至與更復雜的應用層協(xié)議都可在此基礎上擴展。

4 、結論

本篇我們基于LwIP實現(xiàn)了簡單的TCP服務器應用。通過回調(diào)函數(shù)的實現(xiàn)方式，整個過程與UDP的實現(xiàn)基本類似。我們采用TCP客戶端軟件測試連接都沒有問題。如果想基于TCP服務器實現(xiàn)更為復雜的應用，如Modbus TCP等只需要在回調(diào)函數(shù)中實現(xiàn)響應的功能就可以了。