嵌入式开发之网络连接管理

本文在这主要记录关于开发板无线网络连接状态的监管，由于项目需求，需要对产品的功能进行优化，要求有一个掉线检测的功能，下面让我们看看使用自定义的HeartBeat方式来检测客户端的连接情况。

1、心跳机制
心跳包由来：像心跳一样每隔固定时间发一次，以此来告诉服务器，这个客户端还活着。事实上这是为了保持长连接，至于这个包的内容，是没有什么特别规定的，不过一般都是很小的包，或者只包含包头的一个空包。
在TCP的机制里面，本身是存在有心跳包的机制的，也就是TCP的选项：SO_KEEPALIVE。系统默认是设置的2小时的心跳频率。但是它检查不到机器断电、网线拔出、防火墙这些断线。而且逻辑层处理断线可能也不是那么好处理。一般，如果只是用于保活还是可以的。
心跳包一般来说都是在逻辑层发送空的echo包来实现的。下一个定时器，在一定时间间隔下发送一个空包给客户端，然后客户端反馈一个同样的空包回来，服务器如果在一定时间内收不到客户端发送过来的反馈包，那就只有认定说掉线了。
其实，要判定掉线，只需要send或者recv一下，如果结果为零，则为掉线。但是，在长连接下，有可能很长一段时间都没有数据往来。理论上说，这个连接是一直保持连接的，但是实际情况中，如果中间节点出现什么故障是难以知道的。更要命的是，有的节点（防火墙）会自动把一定时间之内没有数据交互的连接给断掉。在这个时候，就需要我们的心跳包了，用于维持长连接，保活。
在获知了断线之后，服务器逻辑可能需要做一些事情，比如断线后的数据清理呀，重新连接呀……当然，这个自然是要由逻辑层根据需求去做了。
总的来说，心跳包主要也就是用于长连接的保活和断线处理。一般的应用下，判定时间在30-40秒比较不错。如果实在要求高，那就在6-9秒
心跳检测步骤：
1 客户端每隔一个时间间隔发生一个探测包给服务器
2 客户端发包时启动一个超时定时器
3 服务器端接收到检测包，应该回应一个包
4 如果客户机收到服务器的应答包，则说明服务器正常，删除超时定时器
5 如果客户端的超时定时器超时，依然没有收到应答包，则说明服务器挂了

2、 socket

  socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，        socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.
 说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

   注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。
   服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

以上内容只是做一个socket简单的介绍，接下来主要讲解一下socket相关接口函数的使用情况。
2.1 socket()函数
int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd
其中：
sockfd—描述符，类似于文件描述符一样，用于创建与标识唯一的socket连接、若sockfd<0,代表创建socket失败；
protofamiliy—协议域，又称为协议族，决定socket的地址类型、一般设置为AF_INET(IPV4地址）；
type—socket类型，一般设置为SOCK_STREAM（默认协议为TCP协议）；
protocol—指定协议，有TCP、UDP、STCP、TIPC等，一般protocol设置为0，对应选择type类型的默认协议；
例如：

 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)   //判断是否成功创建socket连接
        {
            fprintf(stderr, "create socket failed\n");
    	exit(EXIT_FAILURE);
        }
        puts("create socket success");
        printf("sockfd is %d\n", sockfd);

2.2 bind()函数
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
其中：
sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

上述结构体定义在<sys/socket.h>头文件中、只要进行申明即可使用。
以下是必要的代码说明：

struct sockaddr_in server_addr;
 struct sockaddr_in client_addr;
 bzero(&server_addr,  sizeof(struct sockaddr_in));
    //设置addr的成员变量信息
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    //设置ip为本机IP
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr)) < 0)//判定绑定是否成功
    {
        fprintf(stderr, "bind failed \n");
	exit(EXIT_FAILURE);
    } 
    puts("bind success\n");

在上述代码中出现htonl()函数——网络字节转换函数，host to network long,将多字节整数类型的数据，从主机字节顺序转化为网络字节顺序（也可以这样理解，网络字节顺序相当于黄金，大家都认可，主机字节顺序则只是某个国家自己的货币，不一定能够被其他国家认可使用），网络字节转换函数还有htons(), ntohs(),ntohl()。 
         addrlen——对应地址长度；
   通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

    2.3  listen()、connect()、accept()
int listen(int sockfd, int backlog);//backlog表示相应socket可以排队的最大连接个数
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//客户端socket的描述符、服务器的socket地址、socket地址的长度

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

完成以上操作，就可以进行客户端与服务器之间的交互。
2.4 close()函数
在服务器与客户端建立连接之后，完成交互之后需要关闭相应的socket描述字（做事要有始有终）。
close（sockfd）;
3.总结
1）网络层的“ip地址”可以唯一识别网络中的主机；
2）“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序进程；
3）“ip地址，协议，端口”就唯一标识某一主机中的网络进程；
4）TCP协议的心跳机制基于服务器与客户端间是否建立局域网关系，可以分为跨网心跳（通过各自网络交互）与非跨网心跳（两者在同一局域网内，即使客户端未连接网络也可以跟服务器交互）。

跨网心跳与非跨网心跳是为了更好的理解，自主定义的词汇，上述内容都是自己查阅资料与实践结合的认知和感悟，如有不妥之处，请见谅！如有疑问，欢迎留言互相交流切磋！
 
基于TCP协议的socket定时连接交互的心跳包可以在本人博客上下载。

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