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---- Linux Socket編程及其在無線網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用 (http://www.adgdgn.cn/bbs/dispbbs.asp?boardid=32&id=1681)
-- 發(fā)布時間：2010-11-23 13:22:06
-- Linux Socket編程及其在無線網(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。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)，能夠在從微型計算機到大型計算機的任何環(huán)境中和任何平臺上運行。可移植性為運行Linux的不同計算機平臺與其他任何機器進行準(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無線網(wǎng)關(guān)平臺的基礎(chǔ)上，編程實現(xiàn)了無線網(wǎng)關(guān)平臺與無線終端之間的無線通信，并給出了無線網(wǎng)關(guān)平臺與無線終端之間通信的測試結(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)，實現(xiàn)了無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)報套接字定義了一種無連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠。原始套接字允許對低層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問，主要用于新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)的測試等。
無連接服務(wù)器一般都是面向事務(wù)處理的，一個請求和一個應(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)器處理的請求比較復(fù)雜，往往是并發(fā)服務(wù)器。工作過程如下：服務(wù)進程首先調(diào)用socket( )創(chuàng)建一個字節(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)聽連接請求，隨后調(diào)用accept( )做好與客戶進程建立連接的準(zhǔn)備，無連接請求時，服務(wù)進程被阻塞。當(dāng)連接請求到來后，服務(wù)器進程被喚醒，建立一個新的Socket，并用新套接字同客戶進程的套接字建立連接，而服務(wù)進程最早生成的套接字則繼續(xù)用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)請求。客戶進程調(diào)用socket( )創(chuàng)建字節(jié)流套接字，然后調(diào)用connect( )向服務(wù)進程發(fā)出連接請求。服務(wù)進程和客戶進程通過調(diào)用read( )/recv( )和Write( )/send( )交換數(shù)據(jù)。
2.2 Linux下的socket函數(shù)庫
socket是面向用戶的，針對客戶和服務(wù)器程序提供不同的socket系統(tǒng)調(diào)用。客戶隨機申請一個socket，系統(tǒng)為之分配一個socket號，服務(wù)器擁有全局公認(rèn)的socket，任何客戶都可以向它發(fā)出一個連接請求和信息請求。無論socket的內(nèi)部機制如何，它提供給程序員的最終是一組系統(tǒng)調(diào)用，即socket的庫函數(shù)。Linux這些庫函數(shù)同樣適用于嵌入式linux。下面是編制程序常用的庫函數(shù)：
1) socket( )：建立Socket，此函數(shù)用來建立Socket描述字，并為此Socket建立資源(為一個Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲空間)。應(yīng)用程序在使用socket之前，首先必須擁有一個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)在正常時返回socket描述符；否則返回l，錯誤狀態(tài)在全局變量error里。
2) bind( )：綁定本地地址，即將一個本地地址與一個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)的長度，常被設(shè)置為sizeof(struct sockaddr)；my-addr是用于偵聽連接請求的本地地址。
函數(shù)在正常時返回0，否則返回l，同時error是系統(tǒng)錯誤碼。
3) listen( )：準(zhǔn)備接收連接請求。在用bind()給一個socket設(shè)定本地地址之后，就可以將這個socket用于接受連接請求，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是連接請求暫存隊列長度。
函數(shù)正常時返回0，否則返回1，同時error是系統(tǒng)錯誤碼。
4) accept( )：服務(wù)端應(yīng)用程序調(diào)用此函數(shù)來接受客戶端socket連接請求。在系統(tǒng)調(diào)用listen( )之后，系統(tǒng)就在socket的連接請求暫存隊列里存放每一個向該socket建立的連接請求，accept()的作用是從該暫存隊列中取出一個連接請求，用該socket的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個新的socket用來在服務(wù)端和客戶端之間傳遞接收信息，而原來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)錯誤碼。
5) connect( )：建立連接。bind( )，listen( )和accept( )都是用于被動地等待對方建立連接時需要使用的，connect( )函數(shù)是在主動地向?qū)Ψ浇⑦B接時使用的。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是目的地址長度。
函數(shù)在正常建立連接時返回0，否則返回l，系統(tǒng)錯誤碼在error中。
6) close( )：此函數(shù)是用來關(guān)閉某一socket。socket和文件描述符的關(guān)閉操作都使用這個函數(shù)。函數(shù)原形為int close(int fd)；參數(shù)fd是socket描述符。函數(shù)在正常時返回0，返回1表示出錯。
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)來進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收操作。
3 無線網(wǎng)關(guān)平臺的構(gòu)建
為了將無線終端設(shè)備接入控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)條件構(gòu)建了基于MPC852T和嵌入式Linux的無線網(wǎng)關(guān)平臺。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、可靠性高、功耗低、功能集成度高等優(yōu)點，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。
無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計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RS-232串口、一個10M以太網(wǎng)口、一個100M以太網(wǎng)接口、SDRAM同步動態(tài)隨機存儲器等構(gòu)成無線網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，無線網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
4 無線網(wǎng)關(guān)與無線終端通信的實現(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編程來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。無線終端通過無線網(wǎng)卡與無線網(wǎng)關(guān)自動建立鏈接，無線終端完成數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)把收到的數(shù)據(jù)上傳給上位機進行分析、處理，最后計算出數(shù)據(jù)發(fā)送的速率。
將編寫好的服務(wù)器端和終端程序進行交叉編譯，將編譯得到的二進制可執(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)核映像文件燒寫到無線網(wǎng)關(guān)平臺的FLASH中。無線網(wǎng)關(guān)平臺（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)聽端口*/
………………
int main(int argc,char* argv[ ])
{
int second;
int sockfd,new_fd; /* sockfd為監(jiān)聽用描述符*/
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)聽端口是否有請求*/
………………
for(;;){ /*開始服務(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) /*接收連接請求*/
………………
close(new_fd); /*父進程不再需要該socket*/
………………;
close(sockfd);
return 0;
}
}
5 測試結(jié)果
在上位機開啟通信終端，設(shè)置好串口參數(shù)，進入超級終端。無線網(wǎng)關(guān)平臺上運行服務(wù)器端程序，同時在終端上運行客戶端程序，即可進行測試，測試結(jié)果如圖2所示。
圖2 無線網(wǎng)關(guān)與無線終端測試結(jié)果圖
6 結(jié) 語
目前基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)的在組網(wǎng)時仍需要布線，但在工業(yè)現(xiàn)場，布線時常會受到限制，電纜的連接也限制了現(xiàn)場設(shè)備的移動和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重組，還有一些高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備根本無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)。將802.11b無線通信技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，工控網(wǎng)絡(luò)就兼有了無線通信的優(yōu)點：現(xiàn)場設(shè)備無需電纜即可與控制網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的無線采集和傳輸，對于在一些不可預(yù)知的環(huán)境，尤其是不適于布線的強腐蝕惡劣環(huán)境。本文作者創(chuàng)新點：通過Linux下的socket編程實現(xiàn)了無線網(wǎng)關(guān)與無線終端的通信，可以使用無線通信來完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制。