OpenHarmony嵌入式系统原理与应用-基于海思Hi3861芯片 课件 第8章 网络通信

第8章网络通信引言本章学习目标通过本章的学习，来了解一定的网络通信知识深刻理解并掌握网络的层次划分及OSI七层网络模型2熟悉掌握网络通信中的几种协议及协议特性等能够将所学到的知识与编程实例进行有机结合8.1网络基础知识8.2WiFi通信8.3UDP协议8.4TCP协议8.5MQTT协议CONTENTS8.1.1网络基础知识概述4网络的定义是将若干终端设备和中间设备通过某种传输介质连接起来，实现信息交换和资源共享的系统。根据覆盖范围和连接方式的不同，网络可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）等不同类型。它的基本组成要素包括数据传输介质、通信设备（如路由器、交换机）、协议和网络服务等。网络的作用主要包括数据通信、资源共享、信息传递、应用服务等，因此它广泛应用于办公、教育、娱乐等各个领域。已经成为了现代社会生活及发展不可缺少的一环。而计算机网络协议同我们的语言一样，下图展示了两台不同计算机群之间利用TPC/IP进行通信。8.1.2网络层次划分5国际标准化组织（ISO）提出了著名的OSI/RM（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel）模型。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，自下而上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。其中第四层完成数据传送服务，上面三层面向用户。除了标准的OSI七层模型以外，常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议，它们之间的对应关系如下图所示：8.1.3OSI七层网络模型6TCP/IP协议毫无疑问是互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何与互联网有关的操作都离不开TCP/IP协议。不管是OSI七层模型还是TCP/IP的四层、五层模型，每一层中都要自己的专属协议，以用来完成自己相应的工作以及和上下层级之间进行沟通。OSI七层模型按网络的标准层次划分，如图所示。8.1.4IP地址7网络地址：IP地址由网络号和主机号组成，网络地址的主机号为全0，网络地址代表着整个网络。广播地址：通常称为直接广播地址，是为了区分受限广播地址。广播地址与网络地址的主机号正好相反，广播地址中，主机号为全1。当向某个网络的广播地址发送消息时，该网络内的所有主机都能收到该广播消息。组播地址：D类地址就是组播地址；A类地址以二进制0开头，第一字节为网络号，地址范围为~55；B类地址以二进制10开头，前两字节为网络号，地址范围为~55；C类地址以二进制110开头，前三个字节作为网络号，地址范围为~55；D类地址以二进制1110开头，地址范围是~55，D类地址作为组播地址；E类地址以1111开头，地址范围是~55，E类地址为保留地址，供以后使用。8.1.4IP地址855：该IP地址指的是受限的广播地址。受限广播地址与一般广播地址的区别在于，受限广播地址只能用于本地网络，路由器不会转发以受限广播地址为目的地址的分组；一般广播地址既可在本地广播，也可跨网段广播。：常用于寻找自己的IP地址。回环地址：/8被用作回环地址，回环地址表示本机的地址，常用于对本机的测试，用的最多的是。A、B、C类私有地址：私有地址不会在全球使用，只具有本地意义。A类私有地址：/8，范围是：~55；B类私有地址：/12，范围是：~55；C类私有地址：/16，范围是：~55。8.1.5子网掩码9为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。子网掩码和IP地址一样，由32位二进制地址组成，使用点式十进制来表示。子网掩码由一系列的1和0组成，A类地址的子网掩码为，B类地址的子网掩码为，C类地址的子网掩码为。将32位子网掩码与IP地址进行二进制形式的按位与运算得到的就是网络地址，将子网掩码取反再和IP地址按位与运算得到的就是主机地址。若两个IP地址在子网掩码按位与运算所得结果相同，则说明它们共属于同一子网。8.1.6ARP/RARP10地址解析协议，即ARP（AddressResolutionProtocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。8.1.7路由选择协议11常见的路由选择协议有：RIP协议、OSPF协议。RIP协议：底层是贝尔曼福特算法，它选择路由的度量标准（metric)是跳数，最大跳数是15跳，如果大于15跳，它就会丢弃数据包。OSPF协议：OpenShortestPathFirst开放式最短路径优先，底层是迪杰斯特拉算法，是链路状态路由选择协议，它选择路由的度量标准是带宽，延迟。8.1网络基础知识8.2WiFi通信8.3UDP协议8.4TCP协议8.5MQTT协议CONTENTS8.2.1WLAN与WiFi13WLAN（WirelessLocalAreaNetwork，无线局域网）是指利用射频(RadioFrequency,RF)技术，使用电磁波并利用无线信道作为传输介质的计算机网络。以此所构成的局域网络，在空中进行通信连接。WLAN技术的出现是为了弥补有线网络的不足，以达到网络延伸到目的，实现无网线、无距离限制的通常网络。目前常用的WLAN实现技术有蓝牙、zigbee、WiFi等。8.2.2IEEE802协议簇14IEEE802协议簇是指IEEE标准中关于局域网（LAN）和城域网（MAN）的一系列标准。IEEE802中定义的服务和协议限定在OSI七层网络模型的最低两层，即数据链路层和物理层。实际上，IEEE802又将OSI的数据链路层分成了两个子层，逻辑链路控制层（LLC）和媒介访问控制层（MAC）。如下图所示。一般情况下，LLC层及以上由软件实现，MAC子层和PHY主要由硬件实现。IEEE802协议簇由IEEE802标准委员会维护。其中最广泛应用的协议有以太网（802.3）和WLAN（802.11）。8.2.2IEEE802协议簇15相关概念AP(AccessPoint)：即为无线接入点。是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点。一般家庭或办公室使用的无线路由器就一个AP。STA(Station)：任何一个接入无线AP的设备都可以称为一个站点。也就是日常接入路由器的设备。SSID(ServiceSetIdentifier)：每个无线AP都应该有一个标示用于用户识别，SSID就是这个用于用户识别的的名字，也就是我们经常说到的WiFi名。BSSID：每一个网络设备都有其用于识别的物理地址，即MAC地址，其一般情况下出厂会有一个默认值，可更改，也有其固定的命名格式，也是设备识别的标识符。而BSSID是针对设备而规定的，对于STA的设备来说，AP接入点的MAC地址就是BSSID。ESSID：与SSID相同，只是当有多种无线路由器都为同一种名称，那么便相当于将SSID扩大了，因此这几种无线路由器共同的这个名字就叫ESSID。8.2.2IEEE802协议簇162．应用模式STA在WLAN（无线局域网）中一般为客户端，可以是装有无线网卡的计算机，也可以是有WiFi模块的智能手机，可以是移动的，也可以是固定的。在无线环境中STA接入的过程包括：认证STA有没有权限和AP（接入点）建立链路；STA能不能接入WLAN；以及STA接入WLAN网络之后，认证STA能不能访问网络的权限。在STA和AP建立链路的过程中，当STA通过信标(Beacon)帧或探测响应(Proberesponse)帧扫描到可接入的SSID（服务集标识符）后，会根据已接收到的Beacon帧或Proberesponse帧的信号强度指示(RSSI)来选择合适的SSID进行接入。8.2.2IEEE802协议簇173．分层结构802.11协议定义了WLAN物理层以及MAC层的协议标准。其结构图如图所示：8.1网络基础知识8.2WiFi通信8.3UDP协议8.4TCP协议8.5MQTT协议CONTENTS8.3.1UDP协议特性19UDP用户数据报协议，是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。UDP通讯时不需要接收方确认，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象，实际应用中要求程序员编程验证。无连接性：UDP协议在传输数据之前不需要建立连接，也不需要维护连接状态，可以看作是无阻碍传输，因此传输速度快。不可靠性：UDP协议不保证数据传输的可靠性，因为它不提供重传机制、异常处理等功能，如果数据在传输过程中出现丢失或错误，UDP协议也不会进行任何处理。全双工通信：通信允许数据在两个方向上同时传输。支持广播和多播：UDP协议支持广播和多播，可以将数据同时发送给多个主机。8.3.2UDP协议的报文格式20学习协议其中一个重要的环节就是认识协议报文格式，也就是一个协议具体是怎么组织数据的。UDP协议的报文格式如图所示：UDP报文主体分为两个部分:UDP报头(占8个字节的数据)+UDP数据/UDP载荷。荷载：比较容易理解,里面存储的是应用层的数据报。UDP报头：源端口，目的端口，报文长度，校验和，组成，每个部分占两个字节，可以描述的数据范围是[0,65535]。8.3.3UDP协议编程实例21在使用UDP协议进行编程时，会基于一个重要的网络编程接口Socket，也被称为“套接字”，是网络编程中用于实现不同主机上进程间通信的一种技术。它提供了一种将网络通信抽象为文件操作的接口，使得程序员可以通过简单的函数调用来实现复杂的网络通信功能。基于socket技术的UDP通信流程框图如下所示：8.3.3UDP协议编程实例22本次示例指在Hi3861模块内部建立UDP的客户端，通过去连接电脑端的UDP服务器端来进行通信。其主要实验代码如下：voidTask1(void*argument)//定义了名为Task1的函数，用于接收void类型的参数{intsocket_fd=0;//定义整型变量,用来存储socket描述符intresult;//存储函数调用的结果//设置服务器的地址信息structsockaddr_insend_addr;socklen_taddr_length=sizeof(send_addr);charrecvBuf[512];//连接WifiWiFi_connectHotspots("AI_DEV","HQYJ12345678");//创建socketif((socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1){console_log_info("createsocketfailed!");return;}//初始化预连接的服务端地址8.3.3UDP协议编程实例23send_addr.sin_family=AF_INET;//设置地址族为IPv4send_addr.sin_port=htons(6789);//远端服务器的端口号send_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("26");//远端服务器的IP地址addr_length=sizeof(send_addr);//发送数据到服务远端result=sendto(socket_fd,"hellofarsight\r\n",strlen("hellofarsight\r\n"),0,(structsockaddr*)&send_addr,addr_length);if(result){console_log_info("result:%d,sendData:%s",result,"hellofarsight");}while(1){memset(recvBuf,0,sizeof(recvBuf));//接收服务端返回的字符串result=recvfrom(socket_fd,recvBuf,sizeof(recvBuf),0,(structsockaddr*)&send_addr,&addr_length);if(result>0){console_log_info("[%s:%d]recvData:%s",inet_ntoa(send_addr.sin_addr),ntohs(send_addr.sin_port),recvBuf);//发送数据到服务远端8.3.3UDP协议编程实例24result=sendto(socket_fd,recvBuf,sizeof(recvBuf),0,(structsockaddr*)&send_addr,addr_length);if(result){console_log_info("result:%d,sendData:%s",result,recvBuf);}}sleep(1);}//关闭socketclosesocket(socket_fd);}总结来说，这段代码的功能是通过UDP协议与指定的服务器进行通信，发送"hellofarsight\r\n"字符串，实现接收服务器能够返回数据并回复的功能。8.1网络基础知识8.2WiFi通信8.3UDP协议8.4TCP协议8.5MQTT协议CONTENTS8.4.1TCP报文字段26TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的，所以只能用于端到端的通讯。TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用"带重传的肯定确认"技术来实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为"滑动窗口"的方式进行流量控制，所谓窗口实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。TCP报文是TCP层传输的数据单元，也称报文端。TCP报文中的每个字段内容如下图所示：8.4.2三次握手27为了保证客户端和服务器端的可靠连接，TCP建立连接时必须要进行三次会话，也叫TCP三次握手，进行三次握手的目的是为了确认双方的接收能力和发送能力是否正常。所谓三次握手，是指建立一个TCP连接时需要客户端和服务器端总共发送三个报文以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect函数来直接执行。TCP的三次握手如图所示。第1握手：客户端向服务器发送SYN报文(即报文的标识位SYN=1，seq=J。其进入SYN已发送状态)，等待服务器确认。第2握手：服务器接收到客户端的SYN报文后，服务器向客户端发送SYN+ACK报文，并进入SYN_RECV状态，等待客户端确认。服务器发送SYN+ACK报文后，进入SYN_RECV状态，等待客户端确认。第3握手：客户端接收到服务器的SYN+ACK报文，客户端进入ESTABLISHED状态，并向服务器发送ACK报文。服务器接收到客户端的ACK报文后进入ESTABLISHED状态。8.4.2三次握手288.4.3四次挥手29当客户端和服务器不再进行通信时，都会以四次挥手的方式结束连接。TCP的四次挥手如图所示。第1次挥手：客户端向服务器发送断开TCP连接请求的FIN+ACK报文。其中，FIN=11，seq=M，M是客户端随机生成的。客端进入FIN_WAIT_1状态。第2次挥手：当服务器接收到客户端发来的断开TCP连接的请求后，服务器向客户端发送ACK报文,表示已经收到断开TCP请求。第3次挥手：服务器在回复完客户端的TCP断开请求后，不会马上将TCP的连接断开。服务器会先确认TCP断开前，所有传输到客户端的数据是否已经传输完毕。服务器确认数据传输完毕后才进行断开，并向客户端发送FIN+ACK报文。第4次挥手：客户端接收到服务器发来的TCP断开连接报文后，向服务器发送ACK报文，表示收到断开TCP连接报文。其中，ACK报文的ACK=1，ack=N+1，seq=M+1，N为第3次挥手时服务器发送的FIN+ACK报文的seq,M为第1次挥手时客户端发送的FIN+ACK报文的seq。8.4.3四次挥手308.4.4TCP协议的编程实例31本次示例是在Hi3861开发板中创建TCP客户端，在PC电脑端创建TCP服务端，然后可以在两端之间进行传输数据。主要代码如下：voidTask1(void*argument)//定义了一个名为Task1的函数,用于接收参数{intsocket_fd=0;//声明一个整型变量，用于存储socket描述符。charbuff[256];//声明一个字符数组buff，用于接收数据intre=0;//声明一个整型变量re，用于存储函数返回值//连接WifiWiFi_connectHotspots("FS_Hi3861","fs123456");socket_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建一个TCP套接字structsockaddr_inaddr;//设置服务器的地址信息addr.sin_family=AF_INET;addr.sin_port=htons(5555);addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("14");//填写服务器的IP地址re=connect(socket_fd,(structsockaddr*)&addr,sizeof(addr));//连接服务器8.4.4TCP协议的编程实例32if(re==-1){console_log_info("Failedtoconnecttotheserver");return;}console_log_info("Connectiontoserversuccessful");//发送连接成功的消息到服务器send(socket_fd,"Connectiontoserversuccessful.",strlen("Connectiontoserversuccessful."),0);while(1)//进入一个无限循环，以持续接收和发送数据{memset(buff,0,sizeof(buff));re=recv(socket_fd,buff,sizeof(buff),0);//接收客户端发送过来的消息if(re<=0)//如果接收失败或服务器关闭连接，则退出循环break;else{console_log_info("Receivedatareceivedbytheserver:%s",buff);send(socket_fd,buff,sizeof(buff),0);//将接收到的数据发送回服务器}}close(socket_fd);//断开与服务器的连接}8.1网络基础知识8.2WiFi通信8.3UDP协议8.4TCP协议8.5MQTT协议CONTENTS8.5.1MQTT协议通信模型34MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，MQTT协议提供一对多的消息发布，可以降低应用程序的耦合性，用户只需要编写极少量的应用代码就能完成一对多的消息发布与订阅，在协议中主要有3种身份：发布者(Publisher)、代理（服务器）(Broker)以及订阅者(Subscriber)。通信模型如图所示。8.5.2MQTT协议相关信息35MQTT协议传输信息：MQTT传输的消息分为Topic(主题)和Payload(负载)两部分：Topic可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe)后，就会收到该主题的消息内容；Payload可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。MQTT协议服务质量：MQTT的服务质量(Qos)提供3个等级：Qos=0：最多发送一次消息，在消息发送出去后，接收者不会发送回应，发送者也不会重发消息，消息可能送达一次也可能根本没送达，这个服务质量常用于不重要的消息传递中。QoS=1：最少发送一次消息，QoSl的PUBLISH报文的可变报头中包含一个报文标识符，需要PUBACK报文确认。即需要接收者返回PUBACK应答报文。QoS=2：最高等级的服务质量，消息丢失和重复都是不可接受的。MQTT协议的方法：MQTT协议中定义了一些方法，用来表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。8.5.3MQTT协议数据格式36MQTT控制报文由三部分组成，固定报头、可变报头及有效载荷。MQTT所有收、发的数据都是按照这个格式进行的，它的数据格式图如下图所示。8.5.3MQTT协议数据格式37固定报头：固定报头（Fixedheader）是MQTT协议开头，占用2个字节，由消息类型、标志和剩余长度三部分组成。1）消息类型定义了消息的种类和用途，通过使用不同的MQTT消息类型，可以实现消息的发布、订阅、确认、取消等功能，以满足不同场景的通信需求。消息类型共16个，如下表所示：8.5.3MQTT协议数据格式382）标志（Flags）用于在MQTT协议中标识消息的不同属性和操作。DUP、QoS和RETAIN都属于较为重要的标志。重发标志DUP：当该标志被设置为0时，表示客户端或服务端第一次请求发送这个PUBLISH报文。标志被设置为1，表示这可能是一个早前报文请求的重发。客户端或服务端请求重发一个PUBLISH报文时，必须将DUP标志设置为1。对于QoS0的消息，DUP标志必须设置为0；服务质量等级QoS：是MQTT的避免信息丢失及对数据保护的一个措施；保留标志RETAIN：发布保留标识，表示服务器要保留这次推送的信息，如果有新的订阅者出现，就把这消息推送给它，如果设有那么推送至当前订阅者后释放。3）剩余长度（RemainingLength）表示当前报文剩余部分的字节数，包括可变报头和负载的数据。剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数。剩余长度字段使用一个变长度编码方案，对小于128的值它使用单字节编码。更大的值按下面的方式处理。低7位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节。因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位（continuationbit）。剩余长度字段最大4个字节。8.5.3MQTT协议数据格式39可变报头：可变报头的数据依据固定报头中的报文类型而不同，一般是包含和报文类型相关的数据；例如客户端连接服务器报文，包含了协议名，协议级别（用来表示mqtt的版本信息）、连接标志、保持连接等有效载荷（Payload）：发布或接收的数据。有效载荷可以是任何类型的数据，例如文本、二进制流或JSON格式的数据。发布者将有效载荷发布到特定主题上，订阅者可以订阅该主题并接收有效载荷。有效载荷是MQTT协议传输数据的核心，也是其实现低延迟、高效率的重要因素之一。8.5.4MQTT协议编程实例40MQTT是机器对机器(M2M)/物联网(IoT)连接协议。它被设计为一个极其轻量级的发布/订阅消息传输协议。对于需要较小代码占用空间和/或网络带宽非常宝贵的远程连接非常有用，是专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计。这些原则也使该协议成为新兴的“机器到机器”(M2M)或物联网(IoT)世界的连接设备，以及带宽和电池功率非常高的移动应用的理想选择。本次示例则通过连接PC端的MQTT服务器，然后进行订阅主题和发布主题。其主要代码如下：osThreadId_tmqtt_send_task_id;//mqtt订阅数据任务osThreadId_tmqtt_recv_task_id;//mqtt发布数据任务int8_tmqtt_sub_payload_callback(unsignedchar*topic,unsignedchar*payload){console_log_info("[info]topic:[%s]recv<==%s",topic,payload);}//定义了回调函数，用于处理订阅数据时接收到的主题和负载voidmqtt_recv_task(void*argument)//定义了函数mqtt_recv_task，执行订阅数据任务8.5.4MQTT协议编程实例41{while(1)//进入循环，订阅MQTT主题，并每200毫秒执行一次{MQTTClient_sub();usleep(200*1000);}}voidmqtt_send_task(void*argument)//定义函数mqtt_send_task，执行发布数据任务{//连接Wifiif(WiFi_connectHotspots("AI_DEV","HQYJ12345678")!=WIFI_SUCCESS){console_log_info("[error]WiFi_connectHotspots");}begin://用于在连接失败后重新尝试连接MQTT服务器8.5.4MQTT协议编程实例42if