26.1 TCP協議概述

TCP是一種面向連接的，可靠地，基于IP的傳輸層協議，面向連接就意味著兩個實用TCP的應用在進行數據交換的時候必須先建立一個TCP連接，當應用層向TCP層發送用于傳輸的，用8位字節表示的數據流，TCP先把數據流分割成適當長度的報文段，最大傳輸段的長度MSS通常受計算機連接的網絡的數據鏈路層的最大傳輸單元MTU控制，之后TCP才把數據包傳給IP層，通過它來將數據傳送給接收端的TCP層。為了保證報文傳輸的可靠性，會給每個包一個序號，同時序號也保證了傳送到接收端的數據報文能被按照順序接收，然后接收端對成功接收的報文發回一個響應的確認ACK，如果傳送端在合理的時間RTT內沒有收到確認，那么對應的數據就會被重傳TCP在數據正確性和合法性上采用一個校驗和函數來測定數據是否有錯誤，在發送和接收時都必須計算校驗和，在保證可靠性上，對于窗口內未經確認的分組需要重傳報文，在擁塞控制上，采用TCP擁塞控制算法。

TCP數據被封裝在一個IP數據報文中，IP數據報文結構如下圖所示。

TCP報文數據格式在沒有選項的情況下，通常是20個字節，數據結構如下圖所示

（1）源端口號和目的端口號用于尋找發送端和接收端的應用進程，這個與UDP報文相同，這兩個值加上IP首部中的源IP地址和目的IP地址唯一確定了一個TCP連接。

（2）序列號字段用來標識從TCP發送端向TCP接收端發送的數據字節流，用于表示在這個報文段中的第一個數據字節，當建立一個新的連接時，握手報文中的SYN標志置1，這個握手報文中的序號字段為隨機選擇的初始序號ISN（Initial Sequence Number），當連接建立好以后發送方要發送的第一個字節序號為ISN+1。

（3）確認號字段只有在ACK為1的時候才有用，確認號中包含發送確認的一方所期望接收到的下一個序號，確認號是在上一次成功接收到的數據字節序列號上加1，例如上次接收成功接收到對方發過來的數據序號為X，那么返回的確認號就應該為X+1

（4）頭部長度又稱為首部長度，首部長度中給出了首部的長度，以4個字節為單位，這個字段有4bit，因此TCP最多有60字節的首部，如果沒有任何的選項字段，正常的首部長度是20字節，TCP首部中還有6個標志位，這6個標志位如下表所示。

（5）窗口尺寸也就是窗口大小，其中填寫相應的值以通知對方期望接收的字節數，窗口大小字段是TCP流量控制的關鍵字段，窗口大小是一個2個字節的字段，因此窗口大小最大為65535個字節。

（6）16位校驗和和UDP的校驗和計算原理相同，這是一個強制性的字段，校驗和覆蓋整個TCP報文段。

（7）緊急指針只有在URG置1時有效，是一個正偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數據最后一個字節的序號。

tcp.c，tcp.h，tcp_in.c和tcp_out.c是LWIP中關于TCP協議的文件，TCP層中函數的關系如下圖所示。

常用的TCP協議的API函數如下表所示。

26.2 應用編寫

26.2.1 tcp_client.c代碼編寫

#include "tcp_client.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "lcd.h"
#include "malloc.h"
#include "string.h"
#include "comm.h"
#include "lwip/debug.h"
#include "lwip/stats.h"
#include "lwip/memp.h"
#include "lwip/mem.h"
//TCP Client 測試全局狀態標記變量
//bit7:0,沒有數據要發送;1,有數據要發送
//bit6:0,沒有收到數據;1,收到數據了
//bit5:0,沒有連接上服務器;1,連接上服務器了
//bit4~0:保留
u8 tcp_client_flag;   
//設置遠端IP地址
void tcp_client_set_remoteip()
{
  u8 *tbuf;
  tbuf=mymalloc( SRAMIN, 100 ) ;                      //申請內存
  if( tbuf==NULL )
    return ;
  //前三個IP保持和DHCP得到的IP一致
  lwipdev.remoteip[ 0 ] = lwipdev.ip[ 0 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 1 ] = lwipdev.ip[ 1 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 2 ] = lwipdev.ip[ 2 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 3 ] = 113 ;
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote IP:%d.%d.%d.", lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 150, tbuf ) ;                    //遠端IP
  myfree( SRAMIN, tbuf ) ;
}
//關閉與服務器的連接
void tcp_client_connection_close( struct tcp_pcb *tpcb, struct tcp_client_struct *es )
{
  tcp_abort( tpcb ) ;                            //終止連接,刪除pcb控制塊
  tcp_arg( tpcb, NULL ) ;
  tcp_recv( tpcb, NULL ) ;
  tcp_sent( tpcb, NULL ) ;
  tcp_err( tpcb, NULL ) ;
  tcp_poll( tpcb, NULL, 0 );
  if( es )
    mem_free( es ) ;
  tcp_client_flag &= ~( 1<<5 ) ;                      //標記連接斷開了
}
// tcp_recv函數的回調函數
u8 tcp_client_recvbuf[ TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE ] ;                //接收數據緩沖區
err_t tcp_client_recv( void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err )
{
  u32 data_len=0 ;
  struct pbuf *q ;
  struct tcp_client_struct *es ;
  err_t ret_err ;
  LWIP_ASSERT( "arg != NULL", arg!=NULL ) ;
  es = ( struct tcp_client_struct* )arg ;
  //如果從服務器接收到空的數據幀就關閉連接
  if( p==NULL )
  {
    es->state = ES_TCPCLIENT_CLOSING ;                //需要關閉TCP連接了
     es->p = p ;
    ret_err = ERR_OK ;
  }
  //當接收到一個非空的數據幀,但是err!=ERR_OK
  else if( err!=ERR_OK )
  { 
    if( p )
      pbuf_free( p ) ;                        //釋放接收pbuf
    ret_err = err ;
  }
  //當處于連接狀態時
  else if( es->state==ES_TCPCLIENT_CONNECTED )
  {
    //當處于連接狀態并且接收到的數據不為空時
    if( p!=NULL )
    {
      memset( tcp_client_recvbuf, 0, TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE ) ;      //數據接收緩沖區清零
      //遍歷完整個pbuf鏈表
      for( q=p; q!=NULL; q=q->next )
      {
        if( q->len>( TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE-data_len ) )
          memcpy( tcp_client_recvbuf+data_len, q->payload, TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE-data_len ) ; 
        else
          memcpy( tcp_client_recvbuf+data_len, q->payload, q->len ) ;
        data_len += q->len ;
        //超出TCP客戶端接收數組,跳出
        if( data_len>TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE )
          break ;
      }
      tcp_client_flag |= 1<<6 ;                    //標記接收到數據了
       tcp_recved( tpcb,p->tot_len );                  //用于獲取接收數據
      pbuf_free( p ) ;                        //釋放內存
      ret_err = ERR_OK ;
    }
  }
  //接收到數據但是連接已經關閉
  else
  { 
    tcp_recved( tpcb, p->tot_len ) ;                    //用于獲取接收數據
    es->p = NULL ;
    pbuf_free( p ) ;                          //釋放內存
    ret_err = ERR_OK ;
  }
  return ret_err ;
}
// tcp_err函數的回調函數
void tcp_client_error( void *arg, err_t err )
{


}
//發送數據
void tcp_client_senddata( struct tcp_pcb *tpcb, struct tcp_client_struct *es )
{
  struct pbuf *ptr ; 
   err_t wr_err = ERR_OK ;
  while( ( wr_err==ERR_OK )&&( es->p )&&( es->p->len<=tcp_sndbuf( tpcb ) ) )
  {
    ptr = es->p ;
    wr_err = tcp_write( tpcb, ptr->payload, ptr->len, 1 ) ;          //數據加入到發送緩沖隊列中
    if( wr_err==ERR_OK )
    {
      es->p = ptr->next ;                      //指向下一個pbuf
      //pbuf的ref加一
      if( es->p )
        pbuf_ref( es->p );
      pbuf_free( ptr ) ;                        //釋放ptr
    }
    else if( wr_err==ERR_MEM )
      es->p = ptr ;
    tcp_output( tpcb ) ;                        //發送緩沖隊列中的數據發送
  }
}
// tcp_sent的回調函數(從遠端接收到ACK后發送數據)
err_t tcp_client_sent( void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, u16_t len )
{
  struct tcp_client_struct *es ;
  LWIP_UNUSED_ARG( len ) ;
  es = ( struct tcp_client_struct* )arg ;
  if( es->p )
    tcp_client_senddata( tpcb, es ) ;                    //發送數據
  return ERR_OK ;
}
// tcp_poll的回調函數
const u8 *tcp_client_sendbuf = "STM32F103 TCP Client send data\\r\\n" ;      //TCP服務器發送數據內容
err_t tcp_client_poll( void *arg, struct tcp_pcb *tpcb )
{
  err_t ret_err ;
  struct tcp_client_struct *es ; 
  es = ( struct tcp_client_struct* )arg ;
  //連接處于空閑可以發送數據
  if( es!=NULL )
  {
    //判斷是否有數據要發送
    if( tcp_client_flag&( 1<<7 ) )
    {
      es->p = pbuf_alloc( PBUF_TRANSPORT, strlen( ( char* )tcp_client_sendbuf ), PBUF_POOL ) ; 
      pbuf_take( es->p, ( char* )tcp_client_sendbuf, strlen( ( char* )tcp_client_sendbuf ) ) ; 
      tcp_client_senddata( tpcb, es ) ;                  //將數據發送出去
      tcp_client_flag &= ~( 1<<7 ) ;                  //清除數據發送標志
      //釋放內存
      if( es->p )
        pbuf_free( es->p ) ;
    }
    else if( es->state==ES_TCPCLIENT_CLOSING )
       tcp_client_connection_close( tpcb, es ) ;              //關閉TCP連接
    ret_err = ERR_OK ;
  }
  else
  { 
    tcp_abort( tpcb ) ;                          //終止連接,刪除pcb控制塊
    ret_err = ERR_ABRT ;
  }
  return ret_err ;
}
//連接建立后調用回調函數
err_t tcp_client_connected(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, err_t err)
{
  struct tcp_client_struct *es=NULL;  
  if(err==ERR_OK)   
  {
    es = ( struct tcp_client_struct* )mem_malloc( sizeof( struct tcp_client_struct ) ) ; //申請內存
    //內存申請成功
    if( es )
    {
       es->state = ES_TCPCLIENT_CONNECTED ;            //狀態為連接成功
      es->pcb = tpcb ;
      es->p = NULL ;
      tcp_arg( tpcb, es ) ;                      //更新tpcb的callback_arg
      tcp_recv( tpcb, tcp_client_recv ) ;                  //初始化tcp_recv回調功能
      tcp_err( tpcb, tcp_client_error ) ;                  //初始化tcp_err()回調函數
      tcp_sent( tpcb, tcp_client_sent ) ;                  //初始化tcp_sent回調功能
      tcp_poll( tpcb, tcp_client_poll, 1 ) ;                //初始化tcp_poll回調功能
       tcp_client_flag |= 1<<5 ;                    //標記連接到服務器了
      err = ERR_OK ;
    }
    else
    {
      tcp_client_connection_close( tpcb, es ) ;              //關閉連接
      err = ERR_MEM ;                        //返回內存分配錯誤
    }
  }
  else
    tcp_client_connection_close( tpcb, 0 ) ;                //關閉連接
  return err ;
}
//客戶機測試
void tcp_client_test()
{
   struct tcp_pcb *tcppcb ;                        //定義一個TCP服務器控制塊
  struct ip_addr rmtipaddr ;                        //遠端ip地址
  u8 *tbuf ;
  u8 res=0 ;    
  u8 t=0 ; 
  u8 connflag=0 ;                            //連接標記
  tcp_client_set_remoteip() ;                        //先選擇IP
  tbuf = mymalloc( SRAMIN, 200 ) ;                    //申請內存
  //內存申請失敗了,直接退出
  if( tbuf==NULL )
    return ;
  sprintf( ( char* )tbuf, "Local IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 130, tbuf ) ;                    //服務器IP
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2], lwipdev.remoteip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 150, tbuf ) ;                    //遠端IP
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote Port:%d", TCP_CLIENT_PORT ) ;          //客戶端端口號
  LCD_ShowString( 30, 170, tbuf ) ;
  LCD_ShowString( 30, 190, "STATUS:Disconnected" ) ;
  tcppcb = tcp_new() ;                          //創建一個新的pcb
  //創建成功
  if( tcppcb )
  {
  IP4_ADDR( &rmtipaddr, lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2], lwipdev.remoteip[3] ) ;
    tcp_connect( tcppcb, &rmtipaddr, TCP_CLIENT_PORT, tcp_client_connected ) ; 
   }
  else
    res = 1 ;
  while( res==0 )
  {
    //是否收到數據
    if( tcp_client_flag&1<<6 )
    {
      LCD_ShowString( 30, 230, tcp_client_recvbuf ) ;            //顯示接收到的數據
      tcp_client_flag |= 1<<7 ;                    //標記要發送數據
      tcp_client_flag &= ~( 1<<6 ) ;                  //標記數據已經被處理了
    }
    //是否連接上
    if( tcp_client_flag&1<<5 )
    {
      if( connflag==0 )
      { 
        LCD_ShowString( 30, 190, "STATUS:Connected   " ) ;
        LCD_ShowString( 30, 210, "Receive Data:" ) ;
        connflag = 1 ;                        //標記連接了
      }
    }
    else if( connflag )
    {
       LCD_ShowString( 30, 190, "STATUS:Disconnected" ) ;
      connflag = 0 ;                          //標記連接斷開了
    } 
    lwip_periodic_handle() ;
    lwip_pkt_handle() ;
    delay_ms( 2 ) ;
    t ++ ;
    if( t==200 )
    {
      //未連接上,則嘗試重連
      if( ( connflag==0 )&&( ( tcp_client_flag&1<<5 )==0 ) )
      { 
        tcp_client_connection_close( tcppcb, 0 ) ;            //關閉連接
        tcppcb = tcp_new() ;                    //創建一個新的pcb
        //創建成功
        if( tcppcb )
          tcp_connect( tcppcb, &rmtipaddr, TCP_CLIENT_PORT, tcp_client_connected ) ; 
      }
      t = 0 ;
    }    
  }
  tcp_client_connection_close( tcppcb, 0 ) ;                  //關閉TCP Client連接
  myfree( SRAMIN, tbuf ) ;
}

26.2.2 tcp_client.h代碼編寫

#ifndef _TCP_CLIENT_H_
#define _TCP_CLIENT_H_
#include "sys.h"
#include "lwip/tcp.h"
#include "lwip/pbuf.h"
#define TCP_CLIENT_RX_BUFSIZE  1500            //最大接收數據長度
#define TCP_CLIENT_TX_BUFSIZE  200              //最大發送數據長度
#define LWIP_SEND_DATA      0x80            //有數據發送
#define  TCP_CLIENT_PORT    8087            //遠端端口
//tcp服務器連接狀態
enum tcp_client_states
{
  ES_TCPCLIENT_NONE = 0,    //沒有連接
  ES_TCPCLIENT_CONNECTED,  //連接到服務器了 
  ES_TCPCLIENT_CLOSING,    //關閉連接
};
//LWIP回調函數使用的結構體
struct tcp_client_struct
{
  u8 state;            //當前連接狀
  struct tcp_pcb *pcb;      //指向當前的pcb
  struct pbuf *p;        //指向接收/或傳輸的pbuf
};  
void tcp_client_test( void ) ;                    //TCP Client測試函數
#endif

26.2.3 主函數代碼編寫

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "tim.h"
#include "lcd.h"
#include "malloc.h"
#include "dm9000.h"
#include "lwip/netif.h"
#include "comm.h"
#include "lwipopts.h"
#include "tcp_client.h"
int main()
{
  u8 buf[ 30 ];
   STM32_Clock_Init( 9 ) ;                        //系統時鐘設置
  SysTick_Init( 72 ) ;                          //延時初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                      //串口初始化為115200
  LCD_Init() ;                            //初始化LCD
  TIM3_Init( 1000, 719 ) ;                        //定時器3頻率為100hz
  my_mem_init( SRAMIN ) ;                      //初始化內部內存池
  while( lwip_comm_init() ) ;                      //lwip初始化
  //等待DHCP獲取成功/超時溢出
  while( ( lwipdev.dhcpstatus!=2 )&&( lwipdev.dhcpstatus!=0xFF ) )
  {
    lwip_periodic_handle() ;                    //LWIP內核需要定時處理的函數
    lwip_pkt_handle() ;
  }
  POINT_COLOR=RED;
  LCD_ShowString( 30, 110, "LWIP Init Successed" ) ;
  //打印動態IP地址
  if( lwipdev.dhcpstatus==2 )
    sprintf( ( char* )buf, "DHCP IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  //打印靜態IP地址
  else
    sprintf( ( char* )buf, "Static IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 130, buf ) ; 
  //得到網速
  if( ( DM9000_Get_SpeedAndDuplex()&0x02 )==0x02 )
    LCD_ShowString( 30, 150, "Ethernet Speed:10M" ) ;
  else
    LCD_ShowString( 30, 150, "Ethernet Speed:100M" ) ;
   while( 1 )
  {
    tcp_client_test() ;
    lwip_periodic_handle() ;
    lwip_pkt_handle() ;
    delay_ms( 2 ) ;
  }
}

26.3 實驗結果