嵌入式分享合集14

一、TCP总结

/   计网分层结构   /

    考虑最简单的情况：两台主机之间的通信。这个时候只需要一条网线把两者连起来，规定好彼此的硬件接口，如都用USB、电压10v、频率2.4GHz等，这一层就是物理层，这些规定就是物理层协议 。

    我们当然不满足于只有两台电脑连接，因此我们可以使用交换机把多个电脑连接起来，如下图：

    这样连接起来的网络，称为局域网，也可以称为以太网（以太网是局域网的一种）。在这个网络中，我们需要标识每个机器，这样才可以指定要和哪个机器通信。这个标识就是硬件地址MAC。硬件地址随机器的生产就被确定，永久性唯一。在局域网中，我们需要和另外的机器通信时，只需要知道他的硬件地址，交换机就会把我们的消息发送到对应的机器。

    这里我们可以不管底层的网线接口如何发送，把物理层抽离，在他之上创建一个新的层次，这就是数据链路层 。

    我们依然不满足于局域网的规模，需要把所有的局域网联系起来，这个时候就需要用到路由器来连接两个局域网：

    但是如果我们还是使用硬件地址来作为通信对象的唯一标识，那么当网络规模越来越大，需要记住所有机器的硬件地址是不现实的；同时，一个网络对象可能会频繁更换设备，这个时候硬件地址表维护起来更加复杂。这里使用了一个新的地址来标记一个网络对象：IP地址 。

    通过一个简单的寄信例子来理解IP地址。

    我住在北京市，我朋友A住在上海市，我要给朋友A写信：

1. 写完信，我会在信上写好我朋友A的地址，并放到北京市邮局（给信息附加目标IP地址，并发送给路由器）
2. 邮局会帮我把信运输到上海市当地邮局（信息会经过路由传递到目标IP局域网的路由器）
3. 上海市当地路由器会帮我把信交给朋友A（局域网内通信）

    因此，这里IP地址就是一个网络接入地址（朋友A的住址），我只需要知道目标IP地址，路由器就可以把消息给我带到。在局域网中，就可以动态维护一个MAC地址与IP地址的映射关系，根据目的IP地址就可以寻找到机器的MAC地址进行发送 。

    这样我们不需管理底层如何去选择机器，我们只需要知道IP地址，就可以和我们的目标进行通信。这一层就是网络层。网络层的核心作用就是 提供主机之间的逻辑通信 。这样，在网络中的所有主机，在逻辑上都连接起来了，上层只需要提供目标IP地址和数据，网络层就可以把消息发送到对应的主机。

    一个主机有多个进程，进程之间进行不同的网络通信，如边和朋友开黑边和女朋友聊微信。我的手机同时和两个不同机器进行通信。那么当我的手机收到数据时，如何区分是微信的数据，还是王者的数据？那么就必须在网络层之上再添加一层：运输层 ：

    运输层通过socket（套接字），将网络信息进行进一步的拆分，不同的应用进程可以独立进行网络请求，互不干扰。这就是运输层的最本质特点：提供进程之间的逻辑通信 。这里的进程可以是主机之间，也可以是同个主机，所以在android中，socket通信也是进程通信的一种方式。

    现在不同的机器上的应用进程之间可以独立通信了，那么我们就可以在计算机网络上开发出形形式式的应用：如web网页的http，文件传输ftp等等。这一层称为应用层。

    应用层还可以进一步拆分出表示层、会话层，但他们的本质特点都没有改变：完成具体的业务需求 。和下面的四层相比，他们并不是必须的，可以归属到应用层中。

    最后对计网分层进行小结：

1. 最底层物理层，负责两个机器之间通过硬件的直接通信；
2. 数据链路层使用硬件地址在局域网中进行寻址，实现局域网通信；
3. 网络层通过抽象IP地址实现主机之间的逻辑通信；
4. 运输层在网络层的基础上，对数据进行拆分，实现应用进程的独立网络通信；
5. 应用层在运输层的基础上，根据具体的需求开发形形式式的功能。

    这里需要注意的是，分层并不是在物理上的分层，而是逻辑上的分层。通过对底层逻辑的封装，使得上层的开发可以直接依赖底层的功能而无需理会具体的实现，简便了开发。

    这种分层的思路，也就是责任链设计模式，通过层层封装，把不同的职责独立起来，更加方便开发、维护等等。okHttp中的拦截器设计模式，也是这种责任链模式。

/   运输层   /

    本文主要是讲解TCP，这里需要增加一些运输层的知识。

    本质：提供进程通信

    在运输层之下的网络层，是不知道该数据包属于哪个进程，他只负责数据包的接收与发送。运输层则负责接收不同进程的数据交给网络层，同时把网络层的数据拆分交给不同的进程。从上往下汇聚到网络层，称为多路复用，从下往上拆分，称为多路拆分 。

    运输层的表现，受网络层的限制。这很好理解，网络层是运输层的底层支持。所以运输层是无法决定自己带宽、时延等的上限。但可以基于网络层开发更多的特性：如可靠传输。网络层只负责尽力把数据包从一端发送到另一端，而不保证数据可以到达且完整。

底层实现：socket

    前面讲到，最简单的运输层协议，就是提供进程之间的独立通信 ，但底层的实现，是socket之间的独立通信 。在网络层中，IP地址是一个主机逻辑地址，而在运输层中，socket是一个进程的逻辑地址；当然，一个进程可以拥有多个socket。应用进程可以通过监听socket，来获取这个socket接受到的消息。

    socket并不是一个实实在在的东西，而是运输层抽象出来的一个对象。运输层增加了端口这个概念，来区分不同的socket。端口可以理解为一个主机上有很多的网络通信口，每个端口都有一个端口号，端口的数量由运输层协议确定。

    不同的运输层协议对socket有不同的定义方式。在UDP协议中，使用目标IP+目标端口号来定义一个socket；在TCP中使用目标IP+目标端口号+源IP+源端口号来定义一个socket。我们只需要在运输层报文的头部附加上这些信息，目标主机就会知道我们要发送给哪个socket，对应监听该socket的进程就可获得信息。

运输层协议

    运输层的协议就是大名鼎鼎的TCP和UDP。其中，UDP是最精简的运输层协议，只实现了进程间的通信；而TCP在UDP的基础上，实现了可靠传输、流量控制、拥塞控制、面向连接等等特性，同时也更加复杂。

    当然除此之外，还有更多更优秀的运输层协议，但目前广为使用的，就是TCP和UDP。UDP在后面也会总结到。

/   TCP协议首部   /

    TCP协议，表现在报文上，就是会在应用层传输下来的数据前附加上一个TCP首部，这个首部附加了TCP信息，先来整体看一下这个首部的结构：

    这张图是来自我大学老师的课件， 非常好用，所以一直拿来学习。最下面部分表示了报文之间的关系，TCP数据部分就是应用层传下来的数据。

    TCP首部固定长度是20字节，下面还有4字节是可选的。内容很多，但其中有一些我们比较熟悉的：源端口，目标端口。嗯？socket不是还需要IP进行定位吗？IP地址在网络层被附加了。其他的内容后面都会慢慢讲解，作为一篇总结文章，这里放出查阅表，方便复习：

    选项字段中包含以下其他选项：

    讲完下面内容，再回来看这些字段就熟悉了。

/   TCP面向字节流特性   /

    TCP并不是把应用层传输过来的数据直接加上首部然后发送给目标，而是把数据看成一个字节 流，给他们标上序号之后分部分发送。这就是TCP的 面向字节流 特性：

• TCP会以流的形式从应用层读取数据并存放在自己的发送缓存区中，同时为这些字节标上序号
• TCP会从发送方缓冲区选择适量的字节组成TCP报文，通过网络层发送给目标
• 目标会读取字节并存放在自己的接收方缓冲区中，并在合适的时候交付给应用层

    面向字节流的好处是无需一次存储过大的数据占用太多内存，坏处是无法知道这些字节代表的意义，例如应用层发送一个音频文件和一个文本文件，对于TCP来说就是一串字节流，没有意义可言，这会导致粘包以及拆包问题，后面讲。

/   可靠传输原理   /

    前面讲到，TCP是可靠传输协议，也就是，一个数据交给他，他肯定可以完整无误地发送到目标地址，除非网络炸了。他实现的网络模型如下：

    对于应用层来说，他就是一个可靠传输的底层支持服务；而运输层底层采用了网络层的不可靠传输。虽然在网络层甚至数据链路层就可以使用协议来保证数据传输的可靠性，但这样网络的设计会更加复杂、效率会随之降低。把数据传输的可靠性保证放在运输层，会更加合适。

    可靠传输原理的重点总结一下有：滑动窗口、超时重传、累积确认、选择确认、连续ARQ 。

停止等待协议

    要实现可靠传输，最简便的方法就是：我发送一个数据包给你，然后你跟我回复收到，我继续发送下一个数据包。传输模型如下：

    这种“一来一去”的方法来保证传输可靠就是停止等待协议（stop-and-wait）。不知道还记不记得前面TCP首部有一个ack字段，当他设置为1的时候，表示这个报文是一个确认收到报文。

    然后再来考虑一种情况：丢包。网络环境不可靠，导致每一次发送的数据包可能会丢失，如果机器A发送了数据包丢失了，那么机器B永远接收不到数据，机器A永远在等待。解决这个问题的方法是：超时重传 。当机器A发出一个数据包时便开始计时，时间到还没收到确认回复，就可以认为是发生了丢包，便再次发送，也就是重传。

    但重传会导致另一种问题：如果原先的数据包并没有丢失，只是在网络中待的时间比较久，这个时候机器B会受到两个数据包，那么机器B是如何辨别这两个数据包是属于同一份数据还是不同的数据？这就需要前面讲过的方法：给数据字节进行编号。这样接收方就可以根据数据的字节编号，得出这些数据是接下来的数据，还是重传的数据。

    在TCP首部有两个字段：序号和确认号，他们表示发送方数据第一个字节的编号，和接收方期待的下一份数据的第一个字节的编号。前面讲到TCP是面向字节流，但是他并不是一个字节一个字节地发送，而是一次截取一整段。截取的长度受多种因素影响，如缓存区的数据大小、数据链路层限制的帧大小等。

连续ARQ协议

    停止等待协议已经可以满足可靠传输了，但有一个致命缺点：效率太低。发送方发送一个数据包之后便进入等待，这个期间并没有干任何事，浪费了资源。解决的方法是：连续发送数据包。模型如下：

    和停止等待最大的不同就是，他会源源不断地发送，接收方源源不断收到数据之后，逐一进行确认回复。这样便极大地提高了效率。但同样，带来了一些额外的问题:

    发送是否可以无限发送直到把缓冲区所有数据发送完？不可以。因为需要考虑接收方缓冲区以及读取数据的能力。如果发送太快导致接收方无法接受，那么只是会频繁进行重传，浪费了网络资源。所以发送方发送数据的范围，需要考虑到接收方缓冲区的情况。这就是TCP的流量控制 。解决方法是：滑动窗口 。基本模型如下：

• 发送方需要根据接收方的缓冲区大小，设置自己的可发送窗口大小，处于窗口内的数据表示可发送，之外的数据不可发送。
• 当窗口内的数据接收到确认回复时，整个窗口会往前移动，直到发送完成所有的数据

    在TCP的首部有一个窗口大小字段，他表示接收方的剩余缓冲区大小，让发送方可以调整自己的发送窗口大小。通过滑动窗口，就可以实现TCP的流量控制，不至于发送太快，导致太多的数据丢失。

    连续ARQ带来的第二个问题是：网络中充斥着和发送数据包一样数据量的确认回复报文，因为每一个发送数据包，必须得有一个确认回复。提高网络效率的方法是：累积确认 。接收方不需要逐个进行回复，而是累积到一定量的数据包之后，告诉发送方，在此数据包之前的数据全都收到。例如，收到 1234，接收方只需要告诉发送方我收到4了，那么发送方就知道1234都收到了。

    第三个问题是：如何处理丢包情况。在停止等待协议中很简单，直接一个超时重传就解决了。但，连续ARQ中不太一样。例如：接收方收到了 123 567，六个字节，编号为4的字节丢失了。按照累积确认的思路，只能发送3的确认回复，567都必须丢掉，因为发送方会进行重传。这就是GBN（go-back-n) 思路。

    但是我们会发现，只需要重传4即可，这样不是很浪费资源，所以就有了：选择确认SACK 。在TCP报文的选项字段，可以设置已经收到的报文段，每一个报文段需要两个边界来进行确定。这样发送方，就可以根据这个选项字段只重传丢失的数据了。

可靠传输小结

    到这里关于TCP的可靠传输原理就已经介绍的差不多。最后进行一个小结：

• 通过连续ARQ协议与发送-确认回复模式来保证每一个数据包都到达接收方
• 通过给字节编号的方法，来标记每一个数据是属于重传还是新的数据
• 通过超时重传的方式，来解决数据包在网络中丢失的问题
• 通过滑动窗口来实现流量控制
• 通过累积确认+选择确认的方法来提高确认回复与重传的效率

    当然，这只是可靠传输的冰山一角，但是和面试官聊天已经差不多了，感兴趣可以再深入去研究。

/   拥塞控制   /

    拥塞控制考虑的是另外一个问题：避免网络过分拥挤导致丢包严重，网络效率降低 。

    拿现实的交通举例子：

    高速公路同一时间可通行的汽车数量是一定的，当节假日时，就会发生严重的堵车。在TCP中，数据包超时，会进行重传，也就是会进来更多的汽车，这时候更堵，最后导致的结果就是：丢包-重传-丢包-重传。最后整个网络瘫痪了。

    这里的拥塞控制和前面的流量控制不是一个东西，流量控制是拥塞控制的手段：为了避免拥塞，必须对流量进行控制。拥塞控制目的是：限制每个主机的发送的数据量，避免网络拥塞效率下降。就像广州等地，限制车牌号出行是一个道理。不然大家都堵在路上，谁都别想走。

    拥塞控制的解决方法是流量控制，流量控制的实现是滑动窗口，所以拥塞控制最终也是通过限制发送方的滑动窗口大小来限制流量 。当然，拥塞控制的手段不只是流量控制，导致拥塞的因素有：路由器缓存、带宽、处理器处理速度等等。提升硬件能力（把4车道改成8车道）是其中一个方法，但毕竟硬件提升是有瓶颈的，没办法不断提升，还是需要从tcp本身来增加算法，解决拥塞。

    拥塞控制的重点有4个：慢开始、快恢复、快重传、拥塞避免。这里依旧献祭出大学老师的ppt图片：

    Y轴表示的是发送方窗口大小，X轴表示的是发送的轮次（不是字节编号）。

• 最开始的时候，会把窗口设置一个较小的值，然后每轮变为原来的两倍。这是慢开始。
• 当窗口值到达ssthresh值，这个值是需要通过实时网络情况设置的一个窗口限制值，开始进入拥塞避免，每轮把窗口值提升1，慢慢试探网络的底线。
• 如果发生了数据超时，表示极可能发生了拥塞，然后回到慢开始，重复上面的步骤。
• 如果收到三个相同的确认回复，表示现在网络的情况不太好，把ssthresh的值设置为原来的一半，继续拥塞避免。这部分称为快恢复。
• 如果收到丢包信息，应该尽快把丢失的包重传一次，这是快重传。
• 当然，窗口的最终上限是不能无限上涨的，他不能超过接收方的缓存区大小。

    通过这个算法，就可以在很大程度上，避免网络拥挤。

    除此之外，还可以让路由器在缓存即将满的时候，告知发送方我快满了，而不是等到出现了超时再进行处理，这是主动队列管理AQM。此外还有很多方法，但是上面的算法是重点。

/   面向连接   /

    这一小节讲的就是无人不晓的TCP三次握手与四次挥手这些，经过前面的内容，这一小节其实已经很好理解。

    TCP是面向连接的，那连接是什么？这里的连接并不是实实在在的连接，而是通信双方彼此之间的一个记录 。TCP是一个全双工通信，也就是可以互相发送数据，所以双方都需要记录对方的信息。根据前面的可靠传输原理，TCP通信双方需要为对方准备一个接收缓冲区可以接收对方的数据、记住对方的socket知道怎么发送数据、记住对方的缓冲区来调整自己的窗口大小等等，这些记录，就是一个连接。

    在运输层小节中讲到，运输层双方通信的地址是采用socket来定义的，TCP也不例外。TCP的每一个连接只能有两个对象，也就是两个socket，而不能有三个。所以socket的定义需要源IP、源端口号、目标IP、目标端口号四个关键因素，才不会发生混乱。

假如TCP和UDP一样只采用目标IP+目标端口号来定义socket，那么就会出现多个发送方同时发送到同一个目标socket的情况。这个时候TCP无法区分这些数据是否来自不同的发送方，就会导致出现错误。

    既然是连接，就有两个关键要点：建立连接、断开连接。

建立连接

    建立连接的目的就是交换彼此的信息，然后记住对方的信息。所以双方都需要发送彼此的信息给对方：

    但前面的可靠传输原理告诉我们，数据在网络中传输是不可靠的，需要对方给予我们一个确认回复，才可以保证消息正确到达。如下图：

    机器B的确认收到和机器B信息可以进行合并，减少次数；而且发送机器B给机器A本身就代表了机器B已经收到了消息，所以最后的示例图是：

    步骤如下：

1. 机器A发送syn包向机器B请求建立TCP连接，并附加上自身的接收缓冲区信息等，机器A进入SYN_SEND状态，表示请求已经发送正在等待回复；
2. 机器B收到请求之后，根据机器A的信息记录下来，并创建自身的接收缓存区，向机器A发送syn+ack的合成包，同时自身进入SYN_RECV状态，表示已经准备好了，等待机器A 的回复就可以向A发送数据；
3. 机器A收到回复之后记录机器B 的信息，发送ack信息，自身进入ESTABLISHED状态，表示已经完全准备好了，可以进行发送和接收；
4. 机器B收到ACK数据之后，进入ESTABLISHED状态。

    三次消息的发送，称为三次握手。

断开连接

    断开连接和三次握手类似，直接上图：

1. 机器A发送完数据之后，向机器B请求断开连接，自身进入FIN_WAIT_1状态，表示数据发送完成且已经发送FIN包（FIN标志位为1）；

2. 机器B收到FIN包之后，回复ack包表示已经收到，但此时机器B可能还有数据没发送完成，自身进入CLOSE_WAIT状态，表示对方已发送完成且请求关闭连接，自身发送完成之后可以关闭连接；

3. 机器B数据发送完成之后，发送FIN包给机器B ，自身进入LAST_ACK状态，表示等待一个ACK包即可关闭连接；

4. 机器A收到FIN包之后，知道机器B也发送完成了，回复一个ACK包，并进入TIME_WAIT状态

    TIME_WAIT状态比较特殊。当机器A收到机器B的FIN包时，理想状态下，确实是可以直接关闭连接了；但是：

• 我们知道网络是不稳定的，可能机器B 发送了一些数据还没到达（比FIN包慢）；
• 同时回复的ACK包可能丢失了，机器B会重传FIN包；

    如果此时机器A马上关闭连接，会导致数据不完整、机器B无法释放连接等问题。所以此时机器A需要等待2个报文生存最大时长，确保网络中没有任何遗留报文了，再关闭连接

5. 最后，机器A等待两个报文存活最大时长之后，机器B 接收到ACK报文之后，均关闭连接，进入CLASED状态

    双方之间4次互相发送报文来断开连接的过程，就是四次挥手。

    现在，对于为什么握手是三次挥手是四次、一定要三次/四次吗、为什么要停留2msl再关闭连接等等这些问题，就都解决了。

/   UDP协议   /

    运输层协议除了TCP，还有大名鼎鼎的UDP。如果说TCP凭借他完善稳定的功能独树一帜，那UDP就是精简主义乱拳打死老师傅。

    UDP只实现了运输层最少的功能：进程间通信。对于应用层传下来的数据，UDP只是附加一个首部就直接交给网络层了。UDP的头部非常简单，只有三部分：

• 源端口、目标端口：端口号用来区分主机的不同进程
• 校验码：用于校验数据包在传输的过程中没有出现错误，例如某个1变成了0
• 长度：报文的长度

    所以UDP的功能也只有两个：校验数据报是否发生错误、区分不同的进程通信。

但，TCP的功能虽然多，但同时也是要付出相对应的代价。例如面向连接的特性，在建立和断开连接的时候会有开销；拥塞控制的特性，会限制传输的上限等等。下面来罗列一下UDP的优缺点：

UDP的缺点

• 无法保证消息完整、正确到达，UDP是一个不可靠的传输协议；
• 缺少拥塞控制容易互相竞争资源导致网络系统瘫痪

UDP的优点

• 效率更快；不需要建立连接以及拥塞控制
• 连接更多的客户；没有连接状态，不需要为每个客户创建缓存等
• 分组首部字节少，开销小；TCP首部固定首部是20字节，而UDP只有8字节；更小的首部意味着更大比例的数据部分
• 在一些需要高效率允许可限度误差的场景下可以使用。如直播场景，并不需要保证每个数据包都完整到达，允许一定的丢包率，这个时候TCP的可靠特性反而成为了累赘；精简的UDP更高的效率是更加适合的选择
• 可以进行广播；UDP并不是面向连接的，所以可以同时对多个进程进行发送报文

UDP适用场景

    UDP适用于对传输模型需要应用层高度自定义、允许出现丢包、需要高效率的场景、需要广播；例如

• 视屏直播
• DNS
• RIP路由选择协议

/   其他补充   /

分块传输

    我们可以发现，运输层在传输数据的时候，并不是把整个数据包加个首部直接发送过去，而是会拆分成多个报文分开发送；那他这样做原因是什么？

    有读者可能会想到：数据链路层限制了数据长度只能有1460。那数据链路层为什么要这么限制？他的本质原因就是：网络是不稳定的。如果报文太长，那么极有可能在传输一般的时候突然中断了，这个时候就要整个数据重传，效率就降低了。把数据拆分成多个数据报，那么当某个数据报丢失，只需要重传该数据报即可。

    那是不是拆分得越细越好？报文中数据字段长度太低，会使得首部的占比太大，这样首部就会成为网络传输最大的负担了。例如1000字节，每个报文首部是40字节，如果拆分成10个报文，那么只需要传输400字节的首部；而如果拆分成1000个，那么需要传输40000字节的首部，效率就极大地降低了。

路由转换

    先看下图：

• 正常情况下，主机A的数据包可以又 1-3-6-7路径进行传送
• 如果路由3坏掉了，那么可以从 1-4-6-7进行传送
• 如果4也坏掉了，那么只能从2-5-6-7传送
• 如果5坏掉了，那么就中断线路了

    可以看出来，使用路由转发的好处是：提高网络的容错率，本质原因依旧是网络是不稳定的 。即使坏掉几个路由器，网络依旧畅通。但是如果坏掉路由器6那就直接导致主机A和主机B无法通信，所以要避免这种核心路由器的存在。

    使用路由的好处还有：分流。如果一条线路太拥堵，可以从别的路线进行传输，提高效率。

粘包与拆包

    在面向字节流那一小节讲过，TCP不懂这些数据流的意义，他只知道从应用层拿到数据流，切割成一份份报文，然后发送给目标对象。而如果应用层传输下来的是两个数据包，那么极有可能出现这种情况：

• 应用层需要向目标进程发送两份数据，一份音频，一份文本
• TCP只知道接收到一个流，并把流拆分成4段进行发送
• 中间第二个报文的数据就出现两个文件的数据混在一起，这就是粘包
• 目标进程应用层在接收到数据之后，需要把这些数据拆分成正确的两个文件，就是拆包

    粘包与拆包都是应用层需要解决的问题，可以在每个文件的最后附加上一些特殊的字节，如换行符；或者控制每个报文只包含一个文件的数据，不足的用0补充等等。

恶意攻击

    TCP的面向连接特点可能会被恶意的人利用，对服务器进行攻击。

    前面我们知道，当我们向一个主机发送syn包请求创建连接时，服务器会为我们创建缓冲区等，然后向我们返回syn+ack报文；如果我们伪造IP和端口，向一个服务器进行海量的请求，会使得服务器创建了大量的创建一半的TCP连接，使得其无法正常响应用户的请求，导致服务器瘫痪。

    解决的方法可以有限制IP的创建连接数、让创建一半的tcp连接在更短的时间内自行关闭、延缓接收缓冲区内存的分配等等。

长连接

    我们向服务器的每一次请求都需要创建一个TCP连接，服务器返回数据之后就会关闭连接；如果在短时间内有大量的请求，那么频繁创建TCP连接关闭TCP连接是一个很浪费资源的行为。所以我们可以让TCP连接不要关闭，在这个期间进行请求，提高效率。

需要注意长连接维持时间、创建条件等，避免被恶意利用创建大量的长连接，消耗殆尽服务器的资源。

/   最后   /

    以前学习的时候觉得这些东西好像没什么卵用，貌似就是用来考试的。事实上，在没应用到的时候，对这些知识很难有更深层次的认知，例如现在我看上面的总结，很多只是表面上的认知，不知道他背后代表的真正含义。

    但当我学习的更加广泛、深入，会对这些知识有越来越深刻的认识。有那么几个瞬间觉得：哦原来那个东西是这样运用，那个东西是这样的啊，原来学了是真的有用。

    现在可能学了之后没有什么感觉，但是当用到或者学到相关的应用时，会有一个顿悟感，会瞬间收获很多。

二、STM32串口通信基本原理

通信接口背景知识

设备之间通信的方式

    一般情况下，设备之间的通信方式可以分成并行通信和串行通信两种。并行与串行通信的区别如下表所示。

串行通信的分类

1、按照数据传送方向，分为：

• 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；
• 半双工：允许数据在两个方向上传输。但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；它不需要独立的接收端和发送端，两者可以合并一起使用一个端口。
• 全双工：允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端。

2、按照通信方式，分为：

• 同步通信：带时钟同步信号传输。比如：SPI，IIC通信接口。
• 异步通信：不带时钟同步信号。比如：UART(通用异步收发器)，单总线。

    在同步通讯中，收发设备上方会使用一根信号线传输信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调，同步数据。例如，通讯中通常双方会统一规定在时钟信号的上升沿或者下降沿对数据线进行采样。

    在异步通讯中不使用时钟信号进行数据同步，它们直接在数据信号中穿插一些用于同步的信号位，或者将主题数据进行打包，以数据帧的格式传输数据。通讯中还需要双方规约好数据的传输速率（也就是波特率）等，以便更好地同步。常用的波特率有4800bps、9600bps、115200bps等。

    在同步通讯中，数据信号所传输的内容绝大部分是有效数据，而异步通讯中会则会包含数据帧的各种标识符，所以同步通讯效率高，但是同步通讯双方的时钟允许误差小，稍稍时钟出错就可能导致数据错乱，异步通讯双方的时钟允许误差较大。

常见的串行通信接口

STM32串口通信基础

    STM32的串口通信接口有两种，分别是：UART（通用异步收发器）、USART（通用同步异步收发器）。而对于大容量STM32F10x系列芯片，分别有3个USART和2个UART。

UART引脚连接方法

• RXD：数据输入引脚，数据接受；
• TXD：数据发送引脚，数据发送。

    对于两个芯片之间的连接，两个芯片GND共地，同时TXD和RXD交叉连接。这里的交叉连接的意思就是，芯片1的RxD连接芯片2的TXD，芯片2的RXD连接芯片1的TXD。这样，两个芯片之间就可以进行TTL电平通信了。STM32与51单片机串口通信相关实例，请移步此处:STM32与51单片机串口通信实例。

    若是芯片与PC机（或上位机）相连，除了共地之外，就不能这样直接交叉连接了。尽管PC机和芯片都有TXD和RXD引脚，但是通常PC机（或上位机）通常使用的都是RS232接口（通常为DB9封装），因此不能直接交叉连接。RS232接口是9针（或引脚），通常是TxD和RxD经过电平转换得到的。故，要想使得芯片与PC机的RS232接口直接通信，需要也将芯片的输入输出端口也电平转换成RS232类型，再交叉连接。

    经过电平转换后，芯片串口和RS232的电平标准是不一样的：

• 单片机的电平标准（TTL电平）：+5V表示1，0V表示0；
• RS232的电平标准：+15/+13 V表示0，-15/-13表示1。

    RS-232通讯协议标准串口的设备间通讯结构图如下： 

    所以单片机串口与PC串口通信就应该遵循下面的连接方式：在单片机串口与上位机给出的RS232口之间，通过电平转换电路(如下面图中的Max232芯片) 实现TTL电平与RS232电平之间的转换。STM32与PC之间通信实例，请移步此处:STM32实例-用按键控制串口发送数据，文末附代码。

RS232串口简介

    台式机电脑后面的9针接口就是com口(串口) 在工业控制 数据采集上应用广泛上图中，最右边的是串口接口统称为RS232接口，是常见的DB9封装。

通信过程中只有两个脚参与通信。

• 2脚：电脑的输入RXD
• 3脚：电脑的输出TXD 通过2 ，3 脚就可以实现全双工(可同时收发)的串行异步 通信
• 5脚：接地

单片机的P3口是有两个复用接口RXD 和TXD。这是单片机进行串行通信的收发口，连接应该错位的对应到电脑的TDX RDX上。注意：单片机和RS232的电平标准是不一样的。

单片机的电平标准 TTL电平 ：+5V表示1 0V表示0。

RS232的电平标准 +15/+13 V表示1 -15/-13 表示0。

所以 单片机与电脑串口通信就应该遵循下面的连接方式：

在单片机与上位机给出的RS232口之间通过电平转换电路(最上面图中的Max232芯片) 实现TTL电平与RS232电平之间的转换，PC串口与单片机串口连接方式图：

注意这两个DB9：DB91是在电脑上的 DB92是在单片机实验板上焊接着的。

这里的交叉连接的意思是 DB91的RXD连着DB92的TXD。

DB92的RXD连着DB91的TXD这样交叉着连接，如果电脑没有RS232口 只有USB口，可以用串口转接线转出串口，如下图所示。

这个时候在电脑上位机上需要安装串口驱动程序。

注意，这个驱动程序驱动的是PL2303芯片(在上图的大头里面) 使得RS232信息转换成USB信息。

下图为上图的内部结构：

用串口通信比USB简单，因为串口通信没有协议，使用方便简单。

STM32的UART特点

• 全双工异步通信；
• 分数波特率发生器系统，提供精确的波特率。发送和接受共用的可编程波特率，最高可达4.5Mbits/s；
• 可编程的数据字长度（8位或者9位）；
• 可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；
• 可配置的使用DMA多缓冲器通信；
• 单独的发送器和接收器使能位；
• 检测标志：
  ① 接受缓冲器
  ②发送缓冲器空
  ③传输结束标志；
• 多个带标志的中断源，触发中断；
• 其他：校验控制，四个错误检测标志。

串口通信过程

STM32中UART参数

    串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口，通讯双方的数据包格式要规约一致才能正常收发数据。    

    STM32中串口异步通信需要定义的参数：起始位、数据位（8位或者9位）、奇偶校验位（第9位）、停止位（1,15,2位）、波特率设置。相关文章推荐:学习STM32单片机，绕不开的串口。

    UART串口通信的数据包以帧为单位，常用的帧结构为：1位起始位+8位数据位+1位奇偶校验位（可选）+1位停止位。如下图所示：

    奇偶校验位分为奇校验和偶校验两种，是一种简单的数据误码校验方法。奇校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9个位中1的个数必须为奇数；偶校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9个位中1的个数必须为偶数。

    校验方法除了奇校验(odd)、偶校验(even)之外，还可以有：0 校验(space)、1 校验(mark)以及无校验(noparity)。 0/1校验：不管有效数据中的内容是什么，校验位总为0或者1。

UART（USART）框图

    这个框图分成上、中、下三个部分。本文大概地讲述一下各个部分的内容，具体的可以看《STM32中文参考手册》中的描述。

    框图的上部分，数据从RX进入到接收移位寄存器，后进入到接收数据寄存器，最终供CPU或者DMA来进行读取；数据从CPU或者DMA传递过来，进入发送数据寄存器，后进入发送移位寄存器，最终通过TX发送出去。

    然而，UART的发送和接收都需要波特率来进行控制的，波特率是怎样控制的呢？

    这就到了框图的下部分，在接收移位寄存器、发送移位寄存器都还有一个进入的箭头，分别连接到接收器控制、发送器控制。而这两者连接的又是接收器时钟、发送器时钟。也就是说，异步通信尽管没有时钟同步信号，但是在串口内部，是提供了时钟信号来进行控制的。而接收器时钟和发送器时钟有是由什么控制的呢？

    可以看到，接收器时钟和发送器时钟又被连接到同一个控制单元，也就是说它们共用一个波特率发生器。同时也可以看到接收器时钟（发生器时钟）的计算方法、USRRTDIV的计算方法。

延庆川北小区45孙老师 收卖废品破烂垃圾炒股 废品孙 再回收

三、如何读取、修改嵌入式产品Flash中内容

  本文将介绍如何拆焊Flash芯片，设计及制作相应的分线板。了解对嵌入式设备的非易失性存储的简单有效攻击手段。这些攻击包括：

• 读取存储芯片内容
• 修改芯片内容
• 监视对存储芯片的读取操作并远程修改(中间人攻击)

    想想，当你拆开一个嵌入式产品，却被挡在Flash之外，好奇的你一定想对它一探究竟。

    那么，下面我们就开始。

拆焊Flash芯片

    为了读取Flash芯片的内容，有以下两个基本途径：

• 直接将导线连接到芯片的引脚
• 把芯片拆下来，插到另一块板子上

    下面介绍的Flash为BGA(球形栅格阵列)封装——无外露引脚。因此，只能选择拆焊的方法。关于Flash的文章:EEPROM和Flash这样讲，我早就懂了。

图：目标芯片

拆焊法的优点：

• 可避免对电路板上其他器件造成影响;
• 可以很容易看到芯片底部的布线;
• 可用其他芯片或微控制器代替原芯片。

一些不便之处：

• 电路在缺少完整器件的情况下无法运行;
• 在拆卸过程中，一些邻近器件可能被损坏;
• 如果操作不恰当，Flash本身可能毁坏。

    OK，拆焊是吧?你看，下图所示的热风枪简直就是神器。只要将芯片周围加热，便可以很容易地拿下芯片：

图：热风枪拆焊

    这种办法简单、快速只是可能伤及无辜——焊掉邻近的元件，所以，务必小心翼翼。

    下图显示芯片拆下后PCB的布线。观察图片，猜想底部的两列引脚为空引脚，因为他们压根就没接入电路。

图：拆焊下来后

用KiCAD定制分线板

    现在该做什么?BGA封装简直就是一团糟，依然无法外接导线。

    一种可行的方法是制作分线板。通常，分线板是将芯片的所有针脚的位置“镜像”下来，这样就能将芯片的引脚引接出来。

    为此，我们首先要搜集芯片的相关信息。大多数情况下，芯片的型号都印制在芯片上，这样我们就很容易识别。如上图，芯片上第一行为MXIC代表Macronix International公司，第二行为芯片的具体型号MX25L3255EXCI datasheet 。以下为datasheet资料：

图：针脚排布

    PCB的设计可由KiCAD ，常用的EDA软件实现。

    分线板的设计过程与其他PCB板一样：

• 新建电路板，画出电路简图，标明元器件的具体型号
• 确定芯片的具体尺寸

    根据之前datasheet的资料。我们添加1个4×6的网格作为整个芯片的BGA封装，2个1×4的网格作为连接芯片8个有效引脚的接线柱。最后一步是，用线路将这些器件连接起来：

图：step2

    转接板的设计到此为止，接下来是如何把设计转化成的PCB。

PCB制作

    PCB就像是由两层铜和一层基板压制成的三明治，导线分布在铜上面。

    根据制作流程，分为：

• 蚀刻法
• 数控铣法

    以下为两种方法的具体步骤。

蚀刻法

    蚀刻，即是用化学药品逐步除去铜的过程。我们先用油墨保护覆铜板上的线路及要保留下来的铜。

    1.首先，用热转印法制作PCB。PCB电路图用激光打印机打印在亮光纸上。然后，把亮光纸紧贴在覆铜板上，加热和施以压力，使亮光纸上的电路图转印到覆铜板上。通常，这个过程用熨衣服的熨斗即可完成，但是专用的压制器会使加热及受力更加均匀，更容易成功。

    2.接下来是蚀刻，将整块PCB板浸没在腐蚀液，以此来去除多余的铜。

    蚀刻后的分线板，转印的墨粉还附着在上面：

图：step3

    除去墨粉后：

图：step4

    现在可以准备手工焊接了。微型焊接与正常焊接一样，只是器件的尺寸极小，因此需要借助显微镜。

    此外，传统的焊接用的是线状的焊锡丝，而BGA微型焊接用的是锡球。

图：step5

    接下来，开始重整锡球：

• 将一个新的锡球放置在凹槽上，加热，熔化锡球;
• 校准芯片和板子;
• 回流。

图：step6

    锡球重整完成：

图：step7

    芯片焊接完成后的最终结果：

图：step8

数控铣

    作为替代方法，数控铣仅是将需要的线路和剩余的铜隔离开来而已。

    (1)5X5的BGA通常用于制作 PCB，而4X6的常用于分线板。我们设计5X5的是为了该分线板可以直接插接在通用EEPROM 编程器的ZIF插槽里，电路简图如下：

图：step9

    (2)芯片的尺寸与前面设计的4X6的一样，只是网格变成5X5，板上的布线也稍显复杂：

图：step10

    (3)由于KiCAD无法直接生成与数控铣兼容的目标文件，因此，我们用Flatcam接收Gerber文件并确定数控铣隔离的导线的路径：

图：step11

图：step12

    (4)接下来将生成的STL文件导入bCNC——数控铣的终端控制程序，如下图所示：

图：step13

    雕刻过程中：

图：step14

    (5)板子雕刻完成：

step:15

    最终结果：

图：step16

    (6)下一步，涂覆阻焊层，保护铜不被氧化，并用紫外灯固化：

图：step17

图：step18

    (7)阻焊层覆盖了BGA的铜片及1X4的接线柱，我们得刮掉这个薄层，使铜片露出来：

图：step19

    (8)给各个节点焊锡：

图：step20

图：step21

    (9)回到数控铣，打孔，切削PCB的边缘：

图：step22

图：step23

    (10)最终成品，BGA焊接在板子上，准备插到EEPROM编程器上：

图：step24

结论

    了解了如何拆焊Flash芯片和如何设计PCB，以及制作PCB的两种不同方法。

四、图解二极管的单向导电性

二极管是电子电路中很常用的元器件，非常常见，二极管具有正向导通，反向截止的特性。

    在二极管的正向端（正极）加正电压，负向端（负极）加负电压，二极管导通，有电流流过二极管。在二极管的正向端（正极）加负电压，负向端（负极）加正电压，二极管截止，没有电流流过二极管。这就是所说的二极管的单向导通特性。下面解释为什么二极管会单向导通。

二极管的单向导电性

    二极管是由 PN 结组成的，即 P 型半导体和 N 型半导体，因此 PN 结的特性导致了二极管的单向导电特性。PN 结如下图所示。

    在 P 型和 N 型半导体的交界面附近，由于 N 区的自由电子浓度大，于是带负电荷的自由电子会由 N 区向电子浓度低的 P 区扩散；扩散的结果使 PN 结中靠 P 区一侧带负电，靠 N 区一侧带正电，形成由 N 区指向 P 区的电场，即 PN 结内电场。内电场将阻碍多数载流子的继续扩散，又称为阻挡层。

PN 结详解

    二极管的单向导电特性用途很广，到底是什么原因让电子如此听话呢？它的微观机理是什么呢？这里简单形象介绍一下。

    假设有一块 P 型半导体（用黄色代表空穴多）和一块 N 型半导体（用绿色代表电子多），它们自然状态下分别都是电中性的，即不带电。如下图所示。

    把它们结合在一起，就形成 PN 结。边界处 N 型半导体的电子自然就会跑去 P 型区填补空穴，留下失去电子而显正电的原子。相应 P 型区边界的原子由于得到电子而显负电，于是就在边界形成一个空间电荷区。为什么叫“空间电荷区”？是因为这些电荷是微观空间内无法移动的原子构成的。

    空间电荷区形成一个内建电场，电场方向由 N 到 P，这个电场阻止了后面的电子继续过来填补空穴，因为这时 P 型区的负空间电荷是排斥电子的。电子和空穴的结合会越来越慢，最后达到平衡，相当于载流子耗尽了，所以空间电荷区也叫耗尽层。这时 PN 结整体还呈电中性，因为空间电荷有正有负互相抵消。如下图所示。

　　

    外加正向电压，电场方向由正到负，与内建电场相反，削弱了内建电场，所以二极管容易导通。绿色箭头表示电子流动方向，与电流定义的方向相反。如下图所示。

    外加反向电压，电场方向与内建电场相同，增强了内建电场，所以二极管不容易导通。如下图所示。当然，不导通也不是绝对的，一般会有很小的漏电流。随着反向电压如果继续增大，可能造成二极管击穿而急剧漏电。

　

    如下图，是二极管的电流电压曲线供参考。

　　

    如下图，形象的展示了不同方向二极管为什么能导通和不能导通，方便理解。

    生活中单向导通的例子也不少，比如地铁进站口的单向闸机，也相当于二极管的效果：正向导通，反向不导通，如果硬要反向通过，可能就会因为太大力“反向击穿”破坏闸机了。