十一、【ESP32开发全栈指南： TCP通信服务端】

news2025/6/8 17:56:23

一、TCP与UDP协议对比

1.1 基本特性比较

TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)是两种最常用的传输层协议，它们在ESP32网络编程中都有广泛应用：

连接方式
- TCP是面向连接的协议，通信前需要先建立连接(三次握手)
- UDP是无连接的协议，直接发送数据包
可靠性
- TCP提供可靠传输，保证数据无差错、不丢失、不重复且按序到达
- UDP提供尽力而为的交付，不保证可靠性
实时性
- UDP具有更好的实时性，传输效率更高
- TCP由于重传机制和流量控制，实时性相对较低
连接模式
- TCP仅支持点到点通信
- UDP支持一对一、一对多、多对多等多种通信模式
资源消耗
- TCP需要维护连接状态，系统资源消耗较大
- UDP实现简单，资源消耗较少

1.2 ESP32中的协议栈支持

ESP-IDF使用开源的lwIP轻量级TCP/IP协议栈，并对原始版本进行了优化和扩展：

支持BSD Socket API标准接口
支持Netconn API(但官方不推荐使用)
针对嵌入式系统进行了内存优化
支持IPv4和IPv6双协议栈

二、TCP服务器核心API

2.1 关键Socket函数

ESP32通过BSD Socket接口实现TCP通信，主要API包括：

socket() - 创建通信端点
bind() - 绑定本地地址和端口
listen() - 开始监听连接请求
accept() - 接受客户端连接
recv()/send() - 接收/发送数据
shutdown()/close() - 关闭连接

2.2 特殊功能支持

除了标准BSD Socket API外，ESP32还支持：

fcntl() - 控制socket属性
ioctl() - I/O设备控制
select() - I/O多路复用
poll() - (通过select实现)

三、TCP服务器实现流程

3.1 完整实现步骤

创建socket

int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);
if(listen_sock < 0) {
    ESP_LOGE(TAG, "创建socket失败: errno %d", errno);
}

配置服务器地址

struct sockaddr_in dest_addr;
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
dest_addr.sin_port = htons(TCP_PORT);

绑定地址

int err = bind(listen_sock, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if(err != 0) {
    ESP_LOGE(TAG, "绑定失败: errno %d", errno);
    close(listen_sock);
}

开始监听

err = listen(listen_sock, 1);  // 参数1表示最大等待连接数
if(err != 0) {
    ESP_LOGE(TAG, "监听失败: errno %d", errno);
    close(listen_sock);
}

接受连接

struct sockaddr_in6 source_addr;
uint addr_len = sizeof(source_addr);
int connect_sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&source_addr, &addr_len);

数据收发

// 接收数据
len = recv(connect_sock, rx_buffer, sizeof(rx_buffer), 0);

// 发送数据
send(connect_sock, tx_buffer, len, 0);

3.2 连接管理注意事项

每个accept()会创建一个新的socket专门用于该连接
原始监听socket继续用于接受新连接
需要合理管理连接资源，及时关闭不再使用的socket
对于多客户端场景，建议使用多任务或select/poll管理

四、Wi-Fi模式配置

4.1 Station模式(连接路由器)

// 使用示例提供的辅助函数连接Wi-Fi
ESP_ERROR_CHECK(example_connect());

4.2 AP模式(创建热点)

void wifi_init_softap(void) {
    // 初始化网络接口
    esp_netif_create_default_wifi_ap();
    
    // 配置AP参数
    wifi_config_t wifi_config = {
        .ap = {
            .ssid = "ESP32_AP",
            .password = "12345678",
            .max_connection = 4,
            .authmode = WIFI_AUTH_WPA_WPA2_PSK
        },
    };
    
    // 启动AP
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_AP));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(ESP_IF_WIFI_AP, &wifi_config));
    ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
}

五、完整示例代码分析

5.1 主任务流程

void app_main(void)
{
    // 初始化NVS存储
    ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
    
    // 初始化网络
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
    
    // 连接Wi-Fi(Station模式)或创建AP
    // ESP_ERROR_CHECK(example_connect());  // Station模式
    wifi_init_softap();                   // AP模式
    
    // 创建TCP服务器任务
    xTaskCreate(tcp_server_task, "tcp_server", 4096, (void*)AF_INET, 5, NULL);
}

5.2 TCP服务器任务

static void tcp_server_task(void *pvParameters)
{
    // 1. 创建socket
    int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);
    
    // 2. 绑定地址
    struct sockaddr_in dest_addr;
    // ... 配置地址 ...
    bind(listen_sock, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    
    // 3. 开始监听
    listen(listen_sock, 1);
    
    while(1) {
        // 4. 接受新连接
        int sock = accept(listen_sock, (struct sockaddr *)&source_addr, &addr_len);
        
        // 5. 处理连接
        do_retransmit(sock);
        
        // 6. 关闭连接
        close(sock);
    }
}

5.3 数据传输处理

static void do_retransmit(const int sock)
{
    char rx_buffer[128];
    
    while(1) {
        // 接收数据
        int len = recv(sock, rx_buffer, sizeof(rx_buffer) - 1, 0);
        
        if(len > 0) {
            // 处理接收到的数据
            process_data(rx_buffer, len);
            
            // 发送响应
            send(sock, response, response_len, 0);
        } else if(len == 0) {
            // 连接关闭
            break;
        } else {
            // 错误处理
            handle_error();
        }
    }
}