正点原子lwIP学习笔记——TCP协议

正点原子lwIP学习笔记——TCP协议

1.TCP协议简介

TCP协议，是一种面向连接、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

主要就是要知道，TCP协议是需要连接才可以互发数据的，连接需要三次挥手，而断开连接需要四次挥手。

2.TCP协议报文结构

TCP协议的头部一共有20字节，左边的结构体与右边的框图示意图一一对应；src就是16位表本地端口号；dest是16位目标端口号；seqno是32位序号，用来重组TCP的分包（因为TCP不能在网络层进行分片，也就是IP协议不能分片，只能在传输层层进行分包）；ackno是32位确认序号；hdrlen_rsvd_flags是16位的flag；wnd是16位窗口大小；然后是16位校验和chksum；最后是16位紧急指针urgp。

这其中，关于标志位的具体解析如下：

• URG：为1时紧急指针有效；
• ACK：为1时，确认序号有效；
• PSH：为1时，接收方应该尽快将这个报文段交给应用层；
• RST：为1时，重建连接；
• SYN：为1时，同步程序，发起一个连接；
• FIN：为1时，发送端完成任务，释放一个连接。

3.TCP转换状态

进入连接，就是通过三次握手来确认客户端和服务器连接：

三次握手，就是首先由客户端发送SYN给服务器，这是第一次握手；然后服务器就会回复SYN+ACK信号给客户端，客户端进入SYN-SENT模式，而服务器切换到LISTEN模式，这是第二次握手；第三次握手，就是客户端发送ACK信号给服务器。至此，完成三次握手，客户端和服务器均进入ESTAB-LISHED状态，可以完成数据的互发。

四次挥手，客户端和服务器都可以发起，以此来完成断联。客户端在ESTAB-LISHED状态发送FIN给服务器，客户端进入FIN-WAIT-1状态，这就是第一次挥手；然后服务器在ESTAB-LISHED状态接受FIN，回应一个ACK信号给客户端，服务器进入CLOSE-WAIT状态，这就是第二次挥手；然后服务器发送一个FIN信号给客户端，客户端进入FIN-WAIT-2状态，服务器进入LAST-ACK状态，这就是第三次挥手；最后客户端发送ACK信号给服务器，自身进入TIME-WAIT状态（2s），然后进入CLOSED状态，服务器也进入CLOSED状态，这就是第四次挥手。

lwIP中，通过一个枚举类型的tcp_state来描述以上的状态，完成TCP协议中的三次握手和四次挥手。枚举类型如下所示：

4. RAW接口相关函数

TCP控制块

TCP的控制块类似UDP，定义在tcp.h中，如下所示：

TCP的控制块如上所示，主要会用到的已经罗列在上面了；操作的TCP首部的，就是pcb控制块，协议特定的TCP_PCB_COMMON控制块，远程端口号以及标志位flags（用于判断处于什么状态，完成三次握手和四次挥手）；
之后还会用到发送和接收成功的两个回调函数，以及连接成功的回调函数；轮询查阅是否有信息的函数，以及发生致命错误时的函数。

具体的就不会多看，只需要知道有这些成员，然后之后学会调用就可以了，源码整个TCP占据lwIP的一半，可以直接看计算机网络的书进行学习。

lwIP将TCP的控制块连接成为单向链表如下所示：

通过TCP_PCB_COMMON里面的next指针进行链接，最后一个就是NULL，连接之后就可以遍历完成寻找。

TCP回调函数

RAW编程接口的TCP实验需要自行实现对应的回调函数，然后讲这些回调函数注册给指定的TCP控制块：


首先，如果是发送，就会调用tcp_write进行发送，把数据挂载到缓冲之中，也就是图中的enqueue，然后通过tcp_output发送出去，最终由ip_output发送到网络层；

tcp_process完成三次握手和四次挥手，因为这些操作无需发送回应用程序，而是可以直接处理。

查看源码以及讲义，TCP实现如下：

首先，先调用tcp_connect函数进行远程服务器的连接，客户端会发送一个SYN信号，并把pcb的状态改为SYN_SENT，通过tcp_output发送出去，这就是第一次握手；
服务器这边，会调用tcp_listen函数，其就是一个宏定义，实际调用tcp_listen_with_backlog函数，这里面会调用tcp_listen_with_backlog_and_err函数，在这里面会把state改为LISTEN；然后会调用tcp_listen_input，在接受到SYN信号后，发送一个SYN|ACK的信号给客户端，同时把服务器状态改为SYN_RCVD；
客户端在tcp_process函数中，判断pcb->state是SYN_SENT，就会处理，如果接收到了SYN+ACK的信号，会把状态改为ESTABLISHED，这里相当于第二次握手；
然后调用tcp_output函数，在这里面调用tcp_output_segment发送一个应答包的ACK信号；
服务器在tcp_process中，如果在SYN_RCVD状态接收到了ACK信号，就会把自身状态改为ESTABLISHED；这时就完成了第三次握手。

tcp_output有两个定时器：快定时器250ms，用来发送ACK包；慢定时器500ms，实现了TCP协议的超时部分，是否接受到ACK包。

5. RAW接口的TCP函数

• tcp_new()
  就是调用了tcp_alloc函数；这个函数里面定义了tcp_pcb的结构体pcb，然后内存池的方式memp_malloc申请内存，然后设置控制块参数，完成后返回pcb；
• tcp_bind()
  一个tcp_pcb结构体pcb传参进来，通过ip_addr_set这是本地IP地址，然后把本地端口号port给到pcb->local_port；

实现与之前的UDP很类似，就不再赘述。

6. RAW接口的TCPClient实验

配置流程：

1. tcp_new常见一个TCP控制块：描述当前TCP的端口号、IP地址等信息；
2. tcp_connect设置目标IP地址和插入TCP PCB链表：把控制块插入TCP PCB链表；
3. tcp_recv注册接受回调函数：接收回调函数由用户编写；
4. tcp_write发送数据：网络搭建完成，可发数据。

与UDP实验类似，首先会进入lwip_tcp_client_set_remoteip()函数，也就是配置远程IP地址，也就是PC地址，因为是DHCP配置，所以前三个IP保持一致即可，然后可以通过按键修改最后一个IP地址；
然后tcp_new申请一个新的pcb；创建成功就通过IP4_ADDR来组合IP地址，传到rmtipaddr里面，然后tcp_connect来连接到目的地址的指定端口上；
这个函数中还包括了lwip_tcp_client_connected这个回调函数；会申请一个tcp_client_struct结构体es，（里面包含了TCP客户端的状态，是否连接成功；一个tcp_pcb结构体和一个pbuf结构体）；申请成功就会更新状态，如果已经调用这个函数，说明已经完成三次握手，就连接成功了；这个函数中还要调用tcp的另外四个回调函数；

tcp_arg就是把tpcb和es传入就好了；

tcp_recv是接收回调函数，把我们自己实现的lwip_tcp_client_recv传入；这个函数定了一pbuf结构体q和tcp_client_struct结构体es，还定义了err_t结构体ret_err，es接上arg参数，也就是之前的es；如果es是连接成功的状态同时p非空，就需要遍历pcb的链表，调用memcpy把pbuf的数据拷贝到g_lwip_demo_recvbuf缓冲中，然后把flag位置1表示收到数据，然后调用tcp_recved通知lwIP内核可以更新获取新的数据，最后pbuf_free释放内存；如果不是以上的情况就可以直接释放内存；

tcp_err函数传入自己实现的lwip_tcp_client_error，但是不做任何处理；

tcp_sent函数传入lwip_tcp_client_sent；其中tcp_client_struct通过arg接到之前的es，然后调用lwip_tcp_client_senddata发送数据；这个函数中，循环遍历es->p（pbuf），把整个pbuf链表通过tcp_write写入发送缓冲区，然后调用tcp_output发送出去；

tcp_poll函数传入lwip_tcp_client_poll；其中检查es的state是否是关闭状态，如果是就调用lwip_tcp_client_connection_close关闭连接；这个函数中，移除所有的回调函数（传入tcp_pcb结构体tpcb，以及NULL清楚数据），然后把flag位清零；

以上均在tcp_connect中设置，如果设置成功res返回0，进入while循环；如果按下KEY0就会调用lwip_tcp_client_usersent发送数据；这个函数中，如果es有数据，就会申请pbuf（通过pbuf_alloc），然后pbuf_take把数据拷贝到pbuf中；通过lwip_tcp_client_senddata发送出去之后，把标识位置1；最后释放pbuf内存（通过pbuf_free）。

7. RAW接口的TCP Server实验

在lwip_demo中启动整个函数：

首先定义了连个tcp_pcb的tcp控制块，一个是tcppcbnew，还有一个是tcppcbconn用于监听；然后就跟之前的实验类似，通过tcp_new创建一个新的控制块给到tcppcbnew；创建成功后，通过tcp_bind把本地IP和指定端口绑定到tcppcbnew上；绑定完成，通过tcp_listen设置tcppcbnew到监听状态，返回值给到tcppcbconn；

tcp_listen就是一个宏定义，其就是指向了tcp_listen_with_backlog函数；然后这个函数return给了tcp_listen_with_backlog_and_err函数；这个函数会通过内存池的方式memp_malloc申请内存给到tcp_pcb_listen这个tcp控制块lpcb；然后初始化这个控制块的参数，其中state状态就是LISTEN监听状态；完成初始化后会把lpcb强转成tcp_pcb类型return出去；

完成后，调用tcp_accept，初始化lwIP这个回调函数，其实现就是自行定义lwip_tcp_server_accept；（这一步就是完成开发板作为server，然后网络调试助手作为client的初始化）；进入之后，定义了tcp_server_struct结构体es（包括三个参数，一个是state状态，一个是tcp_pcb来只想当前控制块，最后一个就是传输的数据pbuf）；然后es调用mem_malloc申请内存；内存分配成功后，进行接收连接，把es的参数进行初始化，状态state变成ES_TCPSERVER_ACCEPTED，pcb就是传入的newpcb，pbuf暂时没有是NULL；然后设置另外四个回调函数，把newpcb传入禁区，然后标记客户端连上（通过自定义的全局flag），并设置远程IP地址；

同样的，tcp_recv就是调用lwip_tcp_server_recv函数；如果是空数据就关闭连接（设置es的state为ES_TCPSERVER_CLOSING）；如果err说明有错误，就直接释放pbuf内存；如果es连接成功且pbuf有数据，就会通过memset，然后遍历pbuf的链表进行数据拷贝，然后标记收到数据（全局的flag），设置远程IP的地址，并调用tcp_recved读取接收数据，然后释放掉当前的pbuf内存（数据缓冲区已经传输完成，就可以释放掉了）；

tcp_err就是调用lwip_tcp_server_err来进行连接过程中的错误处理；这里的操作就是判断arg参数是否为空，不为空就直接mem_free释放掉arg的内存；

tcp_poll调用lwip_tcp_server_poll函数注册轮询；就是新建一个tcp_server_struct结构体es然后把传入的arg强转成该类型并赋值给es；然后不断轮询if判断es的state是否是需要关闭的状态，如果是就调用lwip_tcp_connection_close进行关闭连接；这个函数的关闭操作就是调用tcp_close，然后所有的五个回调函数全部给NULL，再mem_free释放掉es的内存，把对应的flag标志位清零；

最后是发送的回调函数tcp_sent，调用lwip_tcp_server_sent函数；这里面就是判断es是否有数据（pbuf是否存在），有数据就调用lwip_tcp_server_senddata进行发送；这个函数就是在有数据的情况下遍历pbuf链表，然后通过tcp_write把pbuf加入到发送缓冲队列，然后把当前的pbuf释放掉并tcp_recved，最后通过tcp_output发送出去。

以上任务全部完成后，判断是否成功完成，成功完成就会进入死循环进行任务执行；其中发送数据调用了lwip_tcp_server_usersent来发送数据；这个函数通过tcp_server_struct结构体es，es->p通过pbuf_alloc申请内存，然后pbuf_take把数据拷贝到申请的pbuf之中，最后调用lwip_tcp_server_senddata发送数据。

总结

这一章没有将太多TCP实现的源码，因为实在是太多了……把我文章里涉及到的几个回调函数，以及三次握手四次挥手理解一下就OK了。

主要就是要自己在raw接口中实现五个回调函数，然后就能完成TCP的客户端的搭建，与PC完成通讯。
TCP的Server实验很类似，都是实现五个回调函数，然后进行通讯。