【ESP32】ESP-IDF开发 | WiFi开发 | TCP传输控制协议 + TCP服务器和客户端例程
1. 简介
TCP（Transmission Control Protocol），全称传输控制协议。它的特点有以下几点：面向连接，每一个TCP连接只能是点对点的（一对一）；提供可靠交付服务；提供全双工通信；面向字节流。
1.1 三次握手
三次握手代表的是TCP的连接过程，它表示在成功连接之前，服务端和客户端需要通信三次才能最终确认。
- 第一次握手：客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认；
- 第二次握手：服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态；
- 第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。
1.2 四次挥手
四次挥手代表的是TCP的断开连接过程，它表示在成功断开前，服务端和客户端需要通信四次才能最终确认。
- 第一次挥手：客户端发送一个FIN=M，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态，表示客户端没有数据需要发送了；但是如果服务器端还有数据没有发送完成，则可以继续发送数据；
- 第二次挥手：服务器端收到FIN后，先发送ack=M+1，告诉客户端请求收到了，但是我还没准备好，要继续等待我的消息；这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的FIN报文；
- 第三次挥手：当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=N报文，告诉客户端数据发完了，准备关闭连接；服务器端进入LAST_ACK状态；
- 第四次挥手：客户端收到FIN=N报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，所以发送ack=N+1后会进入TIME_WAIT状态，如果服务端没有收到ACK则可以重传。服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。如果客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端已正常关闭，那客户端也可以关闭连接了。
1.3 拥塞控制
网络就像我们生活中的交通系统，当车流大的时候就可能会导致拥塞，TCP为了保证可靠的交付服务，所以引入了拥塞控制，灵活调整发送策略。
拥塞控制是一个动态的过程，它既要提高带宽利用率发送尽量多的数据又要避免网络拥堵丢包RTT增大等问题，基于这种高要求并不是单一策略可以搞定的，因此TCP的拥塞控制策略实际上是分阶段分策略的综合过程，包括慢开始(slow start)、拥塞避免(congestion avoidance)、快重传(fast retransmit)和快恢复(fast recovery)。
1. 慢开始
慢开始算法的思路为，在数据开始发送时，由于不清楚网络的负荷情况，如果此时立即把大量数据发送到网络，那么就有可能引起网络拥塞。根据生活中的经验进行引伸，较好的方法是由小大到逐渐增大发送窗口，一步步探测网络链路的极限；也就是说，由小到大逐渐增大拥塞窗口数值（cwnd），下面是其简要工作流程图。
由上图可见，一开始发送方的初始cwnd 为1，发送方发送第一个报文段M1，并收到接收方的确认。此时，发送方将cwnd从1增大到2，接着发送M2和M3两个报文段，收到两个报文的确认后，发送方继续将cwnd加倍，增加到4。只要网络仍然通畅，那么发送方就会以此类推，在每一轮的传输成功后将cwnd进行加倍的操作。
显然，cwnd不能无限制地加倍，这样会引起网络拥塞，因此需要设置一个慢开始门限（ssthresh）状态变量。当cwnd ＜ ssthresh时，才会使用上述的慢开始算法。
2. 拥塞避免
当cwnd ＞ ssthresh时，系统会使用拥塞避免算法，该算法的思路是让拥塞窗口（cwnd）缓慢地增长，即每完成一轮传输就把发送方的拥塞窗口（cwnd）加1，而不是像慢开始阶段那样加倍增长。因此在拥塞避免阶段就有“加法增大”(Additive Increase)的特点。这表明在拥塞避免阶段，拥塞窗口（cwnd）按线性规律缓慢增长，比慢开始算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。下图展示了拥塞控制的工作流程。
在上图中，慢开始门限的初始值为16。一开始系统执行慢开始算法，发送方每成功发送一轮报文段，就把拥塞窗口值加倍，然后开始下一轮的传输。因此拥塞窗口cwnd随着传输轮次按指数规律增长。当拥塞窗口cwnd增长到慢开始门限值ssthresh 时，就开始改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。
当进行到第12轮传输时（上图节点2），网络出现了超时，发送方判断为网络拥塞。于是调整门限值ssthresh = cwnd / 2 = 12，同时设置拥塞窗口cwnd = 1，重新进入慢开始阶段。
上图节点3展示了一个特殊情况，此时拥塞窗口cwnd = 16，这时出现了发送方一连收到3个对同一报文段的重复确认的情况，此时执行了拥塞避免算法，调整门限值ssthresh = cwnd / 2 = 8。这是因为如果发送方迟迟收不到确认，就会产生超时，会误认为网络发生了拥塞。这就导致发送方错误地启动慢开始，把拥塞窗口cwnd又置为1，因而降低了传输效率。
3. 快重传
TCP作为一个可靠的协议面临的很大的问题就是丢包，丢包就要重传因此发送方需要根据接收方回复的ACK来确认是否丢包了，下图为超时重传的典型时序图。
重传超时时间（RTO）是随着复杂网络环境而动态变化的，在拥塞控制中发生超时重传将会极大拉低cwnd，如果网络状况并没有那么多糟糕，偶尔出现网络抖动造成丢包或者阻塞也非常常见，因此触发的慢启动将降低通信性能，故出现了快速重传机制。所谓快速重传时相比超时重传而言的，重发等待时间会降低并且后续尽量避免慢启动，来保证性能损失在最小的程度，下图为其时序图。
快速重传和超时重传的区别在于cwnd在发生拥塞时的取值，超时重传会将cwnd修改为最初的值，也就是慢启动的值，快速重传将cwnd减半，二者都将ssthresh设置为cwnd的一半。从二者的区别可以看到，快速重传更加主动，有利于保证链路的传输性能。
4. 快恢复
在快速重传之后就会进入快速恢复阶段，此时的cwnd为上次发生拥塞时的cwnd的1/2，之后cwnd再线性增加重复之前的过程。
2. lwIP
ESP-IDF使用lwIP库实现TCP/IP协议栈，这个库在大多数嵌入式系统中都有用到，它是对底层硬件的上层封装，所以如果未来要写比如Linux的TCP/IP应用，代码也是通用的。
3. 例程
例程分别在ESP32上实现TCP客户端和服务端，使用电脑作为另一方进行简单通信测试。需要注意的是，测试时，ESP32和电脑必须处于同一局域网。
电脑端测试会使用的上位机为野火串口调试助手，下载地址：FireTools
3.1 客户端
这个例程配置ESP32为客户端，当连接WiFi热点成功后会请求连接服务端，连接成功后会发送一段消息，然后阻塞等待服务端回复，服务端恢复消息后ESP32会主动关闭套接字。
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "freertos/semphr.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_wifi.h"
#include "esp_event.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_mac.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "sys/socket.h"
#include "lwip/err.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "netdb.h"
#include "arpa/inet.h"
#include
#define TAG "app"
#define HOST_IP_ADDR "192.168.10.117"
#define HOST_PORT 20001
static char rx_buffer[128];
static const char *payload = "Message from ESP32";
static TaskHandle_t client_task_handle;
static void tcp_client_task(void *args)
{
struct sockaddr_in dest_addr;
inet_pton(AF_INET, HOST_IP_ADDR, &dest_addr.sin_addr);
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_port = htons(HOST_PORT);
while (1) {
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);
if (sock < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Unable to create socket: errno %d", errno);
break;
}
ESP_LOGI(TAG, "Socket created, connecting to %s:%d", HOST_IP_ADDR, HOST_PORT);
int err = connect(sock, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if (err != 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Socket unable to connect: errno %d", errno);
break;
}
ESP_LOGI(TAG, "Successfully connected");
err = send(sock, payload, strlen(payload), 0);
if (err < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Error occurred during sending: errno %d", errno);
break;
}
memset(rx_buffer, 0, sizeof(rx_buffer));
int len = recv(sock, rx_buffer, sizeof(rx_buffer) - 1, 0);
if (len < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "recv failed: errno %d", errno);
} else {
ESP_LOGI(TAG, "Received %d bytes from %s:", len, HOST_IP_ADDR);
ESP_LOGI(TAG, "data: %s", rx_buffer);
}
close(sock);
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}
}
static void wifi_event_handler(void* arg,
esp_event_base_t event_base,
int32_t event_id,
void* event_data)
{
if (event_base == IP_EVENT) {
if (event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {
xTaskCreate(tcp_client_task, "tcp_client", 2048, NULL, 5, &client_task_handle);
}
} else if (event_base == WIFI_EVENT) {
if (event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {
vTaskDelete(client_task_handle);
} else if (event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {
esp_wifi_connect();
}
}
}
int app_main()
{
/* 初始化NVS */
esp_err_t ret = nvs_flash_init();
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
/* 初始化WiFi协议栈 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
esp_netif_create_default_wifi_sta();
wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&cfg));
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(WIFI_EVENT,
ESP_EVENT_ANY_ID,
&wifi_event_handler,
NULL,
NULL));
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(IP_EVENT,
ESP_EVENT_ANY_ID,
&wifi_event_handler,
NULL,
NULL));
wifi_config_t wifi_config = {
.sta = {
.ssid = "Your SSID",
.password = "Your password",
.threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK,
},
};
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
return 0;
}
ESP32的WiFi驱动初始化在前面的文章已经有详细的介绍了，这里不再赘述。
在回调函数中，当驱动获取到IP后，就会创建TCP客户端的任务。
1. 创建socket套接字
调用socket函数创建，第一个参数表示域，这里使用IPv4，对应IP_INET；第二个参数表示socket类型，TCP协议只能填SOCK_STREAM；第三个参数表示协议栈类型，这里填IPPROTO_IP。函数会返回套接字描述符。
2. 连接服务器
调用connect函数，第一个参数传入套接字描述符；比较重要的是第二个参数，要传入服务器的地址信息。结构体的定义如下：
struct sockaddr_in {
u8_t sin_len;
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
#define SIN_ZERO_LEN 8
char sin_zero[SIN_ZERO_LEN];
};
- sin_len：数据长度（一般不需要填）；
- sin_family：套接字类型，IPv4填AF_INET，IPv6填AF_INET6，其他填AF_UNSPEC；
- sin_port：端口；
- sin_zero：上层预留字节（不用管）。
3. 发送数据
调用send函数。传入套接字描述符、数据指针和数据长度即可；最后一个参数是标志位，一般填0即可，可选的标志位如下：
#define MSG_PEEK 0x01
#define MSG_WAITALL 0x02
#define MSG_OOB 0x04
#define MSG_DONTWAIT 0x08
#define MSG_MORE 0x10
#define MSG_NOSIGNAL 0x20这些标志位是发送和接收都支持的，比较常用的是MSG_DONTWAIT，像发送和接收函数是阻塞的，使能这个标志位可以让函数立即返回，不等待数据。
4. 接收数据
调用recv函数。传入的参数与send函数是一致的，不再赘述。
5. 关闭连接
调用close函数。传入套接字描述符即可。
测试的时候先打开上位机，设置为TCP服务器，填写电脑的IP和端口，端口是自定义的，但注意不要与原有的端口冲突，建议设置20000以上比较保险；最后点击开始监听。
3.2 服务端
这个例程就是在ESP32上搭建一个TCP服务器，接受局域网中的客户端连接并接收数据。
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "freertos/semphr.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_wifi.h"
#include "esp_event.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_mac.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "sys/socket.h"
#include "lwip/err.h"
#include "lwip/sys.h"
#include "netdb.h"
#include "arpa/inet.h"
#include
#define TAG "app"
#define HOST_PORT 20001
static const char *payload = "I have received your message";
static TaskHandle_t server_task_handle;
static void tcp_client_task(void *args)
{
int *sock = args;
int len;
char rx_buffer[128] = {0};
while (1) {
memset(rx_buffer, 0, sizeof(rx_buffer));
len = recv(*sock, rx_buffer, sizeof(rx_buffer) - 1, 0);
if (len < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Error occurred during receiving: errno %d", errno);
} else if (len == 0) {
ESP_LOGW(TAG, "Connection closed");
goto __exit;
} else {
ESP_LOGI(TAG, "Received %d bytes, data: %s", len, rx_buffer);
send(*sock, payload, strlen(payload), 0);
}
}
__exit:
close(*sock);
free(sock);
vTaskDelete(NULL);
}
static void tcp_server_task(void *args)
{
esp_ip4_addr_t *ip_addr = args;
struct sockaddr_in dest_addr = {0};
dest_addr.sin_addr.s_addr = ip_addr->addr;
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_port = htons(HOST_PORT);
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);
if (sock < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Unable to create socket: errno %d", errno);
goto __exit;
}
int err = bind(sock, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if (err != 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Socket unable to bind: errno %d", errno);
goto __exit;
}
err = listen(sock, 1);
if (err != 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Error occurred during listen: errno %d", errno);
goto __exit;
}
ESP_LOGI(TAG, "Server listen at " IPSTR ":%d", IP2STR(ip_addr), HOST_PORT);
while (1) {
struct sockaddr_in source_addr = {0};
socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
int *client = malloc(sizeof(int));
*client = accept(sock, (struct sockaddr *)&source_addr, &addr_len);
if (*client < 0) {
ESP_LOGE(TAG, "Unable to accept connection: errno %d", errno);
} else {
ESP_LOGI(TAG, "Client " IPSTR ":%d connected", IP2STR((struct esp_ip4_addr *)&source_addr.sin_addr), source_addr.sin_port);
xTaskCreate(tcp_client_task, "client_task", 2048, client, 6, NULL);
}
}
__exit:
close(sock);
free(ip_addr);
vTaskDelete(NULL);
}
static void wifi_event_handler(void* arg,
esp_event_base_t event_base,
int32_t event_id,
void* event_data)
{
if (event_base == IP_EVENT) {
if (event_id == IP_EVENT_STA_GOT_IP) {
ip_event_got_ip_t *data = event_data;
esp_ip4_addr_t *ip_addr = malloc(sizeof(esp_ip4_addr_t));
memcpy(ip_addr, &data->ip_info.ip, sizeof(esp_ip4_addr_t));
xTaskCreate(tcp_server_task, "tcp_server", 2048, ip_addr, 5, &server_task_handle);
}
} else if (event_base == WIFI_EVENT) {
if (event_id == WIFI_EVENT_STA_DISCONNECTED) {
vTaskDelete(server_task_handle);
} else if (event_id == WIFI_EVENT_STA_START) {
esp_wifi_connect();
}
}
}
int app_main()
{
/* 初始化NVS */
esp_err_t ret = nvs_flash_init();
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
}
/* 初始化WiFi协议栈 */
ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
esp_netif_create_default_wifi_sta();
wifi_init_config_t cfg = WIFI_INIT_CONFIG_DEFAULT();
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_init(&cfg));
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(WIFI_EVENT,
ESP_EVENT_ANY_ID,
&wifi_event_handler,
NULL,
NULL));
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_instance_register(IP_EVENT,
ESP_EVENT_ANY_ID,
&wifi_event_handler,
NULL,
NULL));
wifi_config_t wifi_config = {
.sta = {
.ssid = "Your SSID",
.password = "Your password",
.threshold.authmode = WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK,
},
};
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(WIFI_IF_STA, &wifi_config));
ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
return 0;
}
服务器的代码与客户端是有一部分重合的，所以下面只重点介绍不同的地方。
1. 创建套接字
参考上面。
2. 绑定IP与端口
调用bind函数。传入的参数其实跟connect函数是一样的；但是这里的IP地址是自己的IP地址，端口的话就是自定义的。
3. 监听端口
调用listen函数。第一个参数传入套接字描述符，第二个参数用来使能log记录。
4. 接受客户端连接
调用accept函数。传入套接字描述符、IP地址结构体和结构体的长度。这个结构体是用来接收客户端的IP信息的，初始化为空即可。这个函数是阻塞的，只要没有客户端连接就不会返回；如果有客户端连接，就会返回该客户端的套接字描述符。
例程中，一旦客户端成功连接就会创建一个线程处理这个客户端的数据，这样的话就能实现多客户端的连接服务。
5. 接收数据
参考上面。如果recv函数返回0则代表客户端断开了连接，这时我们就可以关闭这个套接字，退出线程。
6. 发送数据
参考上面。
测试时先将ESP32上电，确保服务器已经启动并处于监听状态；然后在上位机这里设置为TCP客户端模式，填入ESP32的IP和端口；然后就可以连接并发送数据了。
