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---- Linux Socket編程及其在無(wú)線網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用 (http://www.hufushizhe.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=32&id=1681)
-- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-23 13:22:06
-- Linux Socket編程及其在無(wú)線網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用
l 引言
Linux具有豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，完善的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)是Linux的一大特點(diǎn)。嵌入式Linux專用于微控制器，同樣具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能。Linux是一種可移植的操作系統(tǒng)，能夠在從微型計(jì)算機(jī)到大型計(jì)算機(jī)的任何環(huán)境中和任何平臺(tái)上運(yùn)行。可移植性為運(yùn)行Linux的不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)與其他任何機(jī)器進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的通訊提供了手段，不需要另外增加特殊的，昂貴的通訊接口。
該文在構(gòu)建基于嵌入式Linux和MPC852T無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)與無(wú)線終端之間的無(wú)線通信，并給出了無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)與無(wú)線終端之間通信的測(cè)試結(jié)果。
2 Linux下的socket編程
2.1 Socket編程
socket有3種類型：流式套接字、數(shù)據(jù)報(bào)套接字及原始套接字。流式套接字定義了一種可靠的面向連接的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)報(bào)套接字定義了一種無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證可靠。原始套接字允許對(duì)低層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問(wèn)，主要用于新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的測(cè)試等。
無(wú)連接服務(wù)器一般都是面向事務(wù)處理的，一個(gè)請(qǐng)求和一個(gè)應(yīng)答就完成客戶程序與服務(wù)程序之間的相互作用。
面向連接服務(wù)器處理的請(qǐng)求比較復(fù)雜，往往是并發(fā)服務(wù)器。工作過(guò)程如下：服務(wù)進(jìn)程首先調(diào)用socket( )創(chuàng)建一個(gè)字節(jié)流套接字，并調(diào)用bind( )將服務(wù)器地址捆扎在該套接字上，接著調(diào)用listen( )監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求，隨后調(diào)用accept( )做好與客戶進(jìn)程建立連接的準(zhǔn)備，無(wú)連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)進(jìn)程被阻塞。當(dāng)連接請(qǐng)求到來(lái)后，服務(wù)器進(jìn)程被喚醒，建立一個(gè)新的Socket，并用新套接字同客戶進(jìn)程的套接字建立連接，而服務(wù)進(jìn)程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請(qǐng)求。客戶進(jìn)程調(diào)用socket( )創(chuàng)建字節(jié)流套接字，然后調(diào)用connect( )向服務(wù)進(jìn)程發(fā)出連接請(qǐng)求。服務(wù)進(jìn)程和客戶進(jìn)程通過(guò)調(diào)用read( )/recv( )和Write( )/send( )交換數(shù)據(jù)。
2.2 Linux下的socket函數(shù)庫(kù)
socket是面向用戶的，針對(duì)客戶和服務(wù)器程序提供不同的socket系統(tǒng)調(diào)用。客戶隨機(jī)申請(qǐng)一個(gè)socket，系統(tǒng)為之分配一個(gè)socket號(hào)，服務(wù)器擁有全局公認(rèn)的socket，任何客戶都可以向它發(fā)出一個(gè)連接請(qǐng)求和信息請(qǐng)求。無(wú)論socket的內(nèi)部機(jī)制如何，它提供給程序員的最終是一組系統(tǒng)調(diào)用，即socket的庫(kù)函數(shù)。Linux這些庫(kù)函數(shù)同樣適用于嵌入式linux。下面是編制程序常用的庫(kù)函數(shù)：
1) socket( )：建立Socket，此函數(shù)用來(lái)建立Socket描述字，并為此Socket建立資源(為一個(gè)Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲(chǔ)空間)。應(yīng)用程序在使用socket之前，首先必須擁有一個(gè)socket。socket( )向應(yīng)用程序提供創(chuàng)建socket的手段。socket( )函數(shù)原形為int socket(int domain，int type，int protoco1)；函數(shù)中的domain是參數(shù)指定通信中使用的協(xié)議簇，也就是網(wǎng)絡(luò)的類型，通常為PF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族(TCP/IP協(xié)議族)；type參數(shù)指定socket的類型：SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，Socket接口還定義了原始Socket(SOCK_RAW),允許程序使用低層協(xié)議；protocol是參數(shù)指定通信中使用的協(xié)議。
函數(shù)在正常時(shí)返回socket描述符；否則返回l，錯(cuò)誤狀態(tài)在全局變量error里。
2) bind( )：綁定本地地址，即將一個(gè)本地地址與一個(gè)SOCKET描述字連接在一起。此函數(shù)在服務(wù)程序上使用，是調(diào)用監(jiān)聽(tīng)函數(shù)listen()必須要調(diào)用的函數(shù)。
Bind函數(shù)原型為：
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)。bind()函數(shù)給已經(jīng)打開(kāi)的socket指定本地地址。函數(shù)中的sockfd是調(diào)用socket函數(shù)返回的socket描述符；addrlen是my-addr結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，常被設(shè)置為sizeof(struct sockaddr)；my-addr是用于偵聽(tīng)連接請(qǐng)求的本地地址。
函數(shù)在正常時(shí)返回0，否則返回l，同時(shí)error是系統(tǒng)錯(cuò)誤碼。
3) listen( )：準(zhǔn)備接收連接請(qǐng)求。在用bind()給一個(gè)socket設(shè)定本地地址之后，就可以將這個(gè)socket用于接受連接請(qǐng)求，即listen()。函數(shù)原形為int listen(int s，int backlog)；函數(shù)中的s是socket描述符；backlong是連接請(qǐng)求暫存隊(duì)列長(zhǎng)度。
函數(shù)正常時(shí)返回0，否則返回1，同時(shí)error是系統(tǒng)錯(cuò)誤碼。
4) accept( )：服務(wù)端應(yīng)用程序調(diào)用此函數(shù)來(lái)接受客戶端socket連接請(qǐng)求。在系統(tǒng)調(diào)用listen( )之后，系統(tǒng)就在socket的連接請(qǐng)求暫存隊(duì)列里存放每一個(gè)向該socket建立的連接請(qǐng)求，accept()的作用是從該暫存隊(duì)列中取出一個(gè)連接請(qǐng)求，用該socket的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)新的socket用來(lái)在服務(wù)端和客戶端之間傳遞接收信息，而原來(lái)socket仍然可以接收其他客戶端的連接要求。
函數(shù)正常創(chuàng)建了一個(gè)新的連接，那么返回非負(fù)的整數(shù)，即新連接的socket描述符，否則返回l，error是系統(tǒng)錯(cuò)誤碼。
5) connect( )：建立連接。bind( )，listen( )和accept( )都是用于被動(dòng)地等待對(duì)方建立連接時(shí)需要使用的，connect( )函數(shù)是在主動(dòng)地向?qū)Ψ浇⑦B接時(shí)使用的。函數(shù)原形為int connect(int sockfd，struct sockaddr*srvaddr，int addrlen)；函數(shù)中的sockfd是socket描述符；srvaddr是通信目的方地址；addrlen是目的地址長(zhǎng)度。
函數(shù)在正常建立連接時(shí)返回0，否則返回l，系統(tǒng)錯(cuò)誤碼在error中。
6) close( )：此函數(shù)是用來(lái)關(guān)閉某一socket。socket和文件描述符的關(guān)閉操作都使用這個(gè)函數(shù)。函數(shù)原形為int close(int fd)；參數(shù)fd是socket描述符。函數(shù)在正常時(shí)返回0，返回1表示出錯(cuò)。
7) send( )/recv( )：用于socket的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在連接建立完成后，通信雙方就可以使用以上這些函數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收操作。
3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的構(gòu)建
為了將無(wú)線終端設(shè)備接入控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)條件構(gòu)建了基于MPC852T和嵌入式Linux的無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)。MPC852T是Motorola推出的面向低端的一款通信處理器，具有通信和網(wǎng)絡(luò)處理能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、功能集成度高等優(yōu)點(diǎn)，并且有眾多的操作系統(tǒng)支持，這使得它在各種嵌入式系統(tǒng)，尤其是在網(wǎng)絡(luò)通信以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)认到y(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。
無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)方案采用中心控制方案，中央處理器選用MPC852T，在MPC852T外圍配置一個(gè)RS-232串口、一個(gè)10M以太網(wǎng)口、一個(gè)100M以太網(wǎng)接口、SDRAM同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器等構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
4 無(wú)線網(wǎng)關(guān)與無(wú)線終端通信的實(shí)現(xiàn)
嵌入式Linux具有完善的TCP／IP協(xié)議棧，為滿足工業(yè)控制過(guò)程中傳輸數(shù)據(jù)量小、可靠性高、速度快等要求，這里使用socket編程來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。無(wú)線終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡與無(wú)線網(wǎng)關(guān)自動(dòng)建立鏈接，無(wú)線終端完成數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)把收到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析、處理，最后計(jì)算出數(shù)據(jù)發(fā)送的速率。
將編寫(xiě)好的服務(wù)器端和終端程序進(jìn)行交叉編譯，將編譯得到的二進(jìn)制可執(zhí)行文件添加到RAMDISK中，壓縮新生成的ramdisk.image文件系統(tǒng)映像文件，重新編譯Linux內(nèi)核，生成Linux內(nèi)核映像文件，然后將內(nèi)核映像文件燒寫(xiě)到無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的FLASH中。無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)（服務(wù)器端）的主程序代碼如下：
#define PORT 3000 /*設(shè)定服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口*/
………………
int main(int argc,char* argv[ ])
{
int second;
int sockfd,new_fd; /* sockfd為監(jiān)聽(tīng)用描述符*/
struct sockaddr_in srvaddr; /*定義服務(wù)器sock地址*/
struct sockaddr_in cliaddr; /*定義客戶的sock地址*/
………………
if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&srvaddr,sizeof(struct sockaddr))==-1) /*綁定*/
………………
if(listen(sockfd, QUEUE_SIZE) == -1) /*監(jiān)聽(tīng)端口是否有請(qǐng)求*/
………………
for(;;){ /*開(kāi)始服務(wù)器循環(huán)*/
/*等待連接*/
sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr*) &cliaddr,&sin_size); /*接收連接請(qǐng)求*/
printf("Server:Got connection from %s \\n",
inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
if(read(new_fd,&second,4)==-1) /*接收連接請(qǐng)求*/
………………
close(new_fd); /*父進(jìn)程不再需要該socket*/
………………;
close(sockfd);
return 0;
}
}
5 測(cè)試結(jié)果
在上位機(jī)開(kāi)啟通信終端，設(shè)置好串口參數(shù)，進(jìn)入超級(jí)終端。無(wú)線網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上運(yùn)行服務(wù)器端程序，同時(shí)在終端上運(yùn)行客戶端程序，即可進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
圖2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)與無(wú)線終端測(cè)試結(jié)果圖
6 結(jié) 語(yǔ)
目前基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)的在組網(wǎng)時(shí)仍需要布線，但在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，布線時(shí)常會(huì)受到限制，電纜的連接也限制了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重組，還有一些高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備根本無(wú)法通過(guò)電纜來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。將802.11b無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，工控網(wǎng)絡(luò)就兼有了無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)需電纜即可與控制網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的無(wú)線采集和傳輸，對(duì)于在一些不可預(yù)知的環(huán)境，尤其是不適于布線的強(qiáng)腐蝕惡劣環(huán)境。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過(guò)Linux下的socket編程實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)關(guān)與無(wú)線終端的通信，可以使用無(wú)線通信來(lái)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。