4. Socket 编程基础

Socket（套接字）是网络通信的端点，是应用层与传输层之间的抽象接口。在嵌入式设备与 Host 端通信中，Socket 是编写网络程序的核心工具。本章将系统讲解 Socket 的定义、类型（TCP/UDP）以及通信模型，为后续 IP 与 Port 配置及通信验证打下基础。

4.1 什么是 Socket

Socket 起源于 Unix 操作系统，遵循“一切皆文件”的设计哲学。应用程序通过 Socket 向网络发送数据或从网络接收数据，就像读写文件一样。Socket 本质上是一个编程接口（API），它封装了传输层（TCP/UDP）的细节，使开发者无需直接处理底层协议栈。

4.2 Socket 类型：TCP 与 UDP

根据传输层协议的不同，Socket 主要分为两种类型：流式 Socket（SOCK_STREAM）和数据报 Socket（SOCK_DGRAM），分别对应 TCP 和 UDP 协议。

4.3 Socket 通信模型

Socket 通信模型描述了客户端与服务器之间建立连接、交换数据、关闭连接的全过程。TCP 和 UDP 的通信模型有显著差异。

4.3.1 TCP Socket 通信模型

TCP 通信遵循“服务器-客户端”模式，服务器端先启动监听，等待客户端连接。核心流程如下：

1. 服务器端：调用 socket() 创建 Socket → bind() 绑定 IP 和端口 → listen() 进入监听状态 → accept() 阻塞等待客户端连接。
2. 客户端：调用 socket() 创建 Socket → connect() 向服务器发起连接请求（三次握手）。
3. 数据传输：连接建立后，双方使用 send() / recv() 或 write() / read() 进行双向通信。
4. 关闭连接：任一方调用 close() 或 shutdown() 释放资源。

4.3.2 UDP Socket 通信模型

UDP 通信无需建立连接，服务器端只需绑定端口，客户端直接向服务器发送数据报。核心流程如下：

1. 服务器端：socket() → bind() → recvfrom() 接收数据。
2. 客户端：socket() → sendto() 向服务器发送数据。
3. 无连接：服务器也可通过 sendto() 向客户端回复数据。

4.4 关键 API 函数速查

4.5 嵌入式设备中的 Socket 编程要点

4.6 代码示例：TCP Socket 服务器与客户端（C 语言）

以下代码展示了在嵌入式 Linux 环境下，一个简单的 TCP 回显服务器（Echo Server）及其客户端。服务器将客户端发送的数据原样返回。

服务器端代码（tcp_server.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};

    // 1. 创建 Socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 绑定 IP 和端口
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网络接口
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 监听
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 接受客户端连接
    if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len)) < 0) {
        perror("accept failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Client connected: %s:%d\n",
           inet_ntoa(client_addr.sin_addr),
           ntohs(client_addr.sin_port));

    // 5. 数据收发（回显）
    int bytes_read;
    while ((bytes_read = read(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {
        printf("Received: %s", buffer);
        write(client_fd, buffer, bytes_read);  // 原样返回
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
    }

    // 6. 关闭连接
    close(client_fd);
    close(server_fd);
    return 0;
}

客户端代码（tcp_client.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    const char *message = "Hello from embedded device!\n";

    // 1. 创建 Socket
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 连接服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 发送数据
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent: %s", message);

    // 5. 接收回显
    int bytes_read = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    printf("Echo received: %s", buffer);

    // 6. 关闭 Socket
    close(sock);
    return 0;
}

4.7 本章小结

• Socket 是应用层与传输层之间的编程接口，封装了 TCP/UDP 的通信细节。
• TCP Socket 面向连接、可靠、无边界，适用于设备配置、文件传输等场景。
• UDP Socket 无连接、不可靠、有边界，适用于实时传感器数据广播。
• 通信模型：TCP 需经历三次握手建立连接、数据传输、四次挥手关闭连接；UDP 直接发送数据报。
• 嵌入式编程中需注意非阻塞模式、缓冲区大小、字节序、超时处理等关键点。