LwIP之socket應用--WebServer和Modbus TCP

時間 2019-11-08

標籤 lwip socket 應用 webserver modbus tcp 欄目系統網絡简体版

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1. 引言

LwIP是嵌入式領域一個流行的以太網協議棧， LwIP開放源碼，用C寫成很是方便移植，而且支持socket接口，使用者能夠集中精力處理應用功能。html

本文是LwIP socket的一個使用小結，使用的測試平臺是stm32+enc28j60+lwip+uc/OS-II。服務器

2. 使用socket

一個基本的socket創建順序是:網絡

Server端：dom

socket()
bind()
listen()
accept()
recv()

Client端：socket

socket()
connect()
send()

lwip的socket和PC上的socket接口一致，只是底層實現用lwip的API進行了封裝，能夠參考lwip\src\include\lwip\sockets.h。tcp

#if LWIP_COMPAT_SOCKETS
#define accept(a,b,c)         lwip_accept(a,b,c)
#define bind(a,b,c)           lwip_bind(a,b,c)
#define shutdown(a,b)         lwip_shutdown(a,b)
#define closesocket(s)        lwip_close(s)
#define connect(a,b,c)        lwip_connect(a,b,c)
#define getsockname(a,b,c)    lwip_getsockname(a,b,c)
#define getpeername(a,b,c)    lwip_getpeername(a,b,c)
#define setsockopt(a,b,c,d,e) lwip_setsockopt(a,b,c,d,e)
#define getsockopt(a,b,c,d,e) lwip_getsockopt(a,b,c,d,e)
#define listen(a,b)           lwip_listen(a,b)
#define recv(a,b,c,d)         lwip_recv(a,b,c,d)
#define recvfrom(a,b,c,d,e,f) lwip_recvfrom(a,b,c,d,e,f)
#define send(a,b,c,d)         lwip_send(a,b,c,d)
#define sendto(a,b,c,d,e,f)   lwip_sendto(a,b,c,d,e,f)
#define socket(a,b,c)         lwip_socket(a,b,c)
#define select(a,b,c,d,e)     lwip_select(a,b,c,d,e)
#define ioctlsocket(a,b,c)    lwip_ioctl(a,b,c)

#if LWIP_POSIX_SOCKETS_IO_NAMES
#define read(a,b,c)           lwip_read(a,b,c)
#define write(a,b,c)          lwip_write(a,b,c)
#define close(s)              lwip_close(s)
#define fcntl(a,b,c)          lwip_fcntl(a,b,c)
#endif /* LWIP_POSIX_SOCKETS_IO_NAMES */

#endif /* LWIP_COMPAT_SOCKETS */

int socket(int domain, int type, int protocol);函數

服務器根據地址類型（ipv4,ipv6）、socket類型、協議建立socket。測試

domain:協議族，經常使用的有AF_INET、AF_INET六、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET表明使用ipv4地址spa

type:socket類型，經常使用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等debug

protocol:協議。經常使用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

把一個地址族中的特定地址賦給socket

sockfd:socket描述字，也就是socket引用

addr:要綁定給sockfd的協議地址

addrlen:地址的長度

一般服務器在啓動的時候都會綁定一個地址（如ip地址+端口號），用於提供服務。有些端口號是約定俗成的不能亂用，如80用做http，502用做modbus。

int listen(int sockfd, int backlog);

監聽socket

sockfd:要監聽的socket描述字

backlog:相應socket能夠排隊的最大鏈接個數

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

鏈接某個socket

sockfd:客戶端的socket描述字

addr:服務器的socket地址

addrlen:socket地址的長度

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

TCP服務器監聽到客戶端請求以後，調用accept()函數取接收請求

sockfd:服務器的socket描述字

addr:客戶端的socket地址

addrlen:socket地址的長度

size_t read(int fd, void *buf, size_t count);

讀取socket內容

fd:socket描述字

buf：緩衝區

count：緩衝區長度

size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

向socket寫入內容，其實就是發送內容

fd:socket描述字

buf：緩衝區

count：緩衝區長度

int close(int fd);

socket標記爲以關閉，使相應socket描述字的引用計數-1，當引用計數爲0的時候，觸發TCP客戶端向服務器發送終止鏈接請求。

3. 使用socket建立嵌入式WebServer

　要使用socket的前提是已經作好lwip和rtos的移植，若是低層驅動移植完畢，就可使用socket快速建立應用。

本例是一個簡單的WebServer。

const unsigned char htmldata[] = "\
      <html>\
          <head><title> LWIP</title></head>\
           <center><p>A WebServer Based on LwIP v1.4.1 Hello world!</center>\
     </html>";
const unsigned char errhtml[] = "\
        <html>\
            <head>\
               <title>Error!</title>\
            </head>\
            <body>\
               <h1>404 - Page not found</h1>\
            </body>\
        </html>"; 

/**
  * @brief serve tcp connection  
  * @param conn: connection socket 
  * @retval None
  */
void http_server(int conn) 
{
  int buflen = 1500;
  int ret;
  unsigned char recv_buffer[1500];
                
  /* Read in the request */
  ret = read(conn, recv_buffer, buflen); 
  if(ret <= 0)
  {
    close(conn);
    Printf("read failed\r\n");
    return;
  }
    
    Printf("http server response!\r\n");
    if(strncmp((char *)recv_buffer, "GET /lwip", 9) == 0)
    {
        write(conn, htmldata, sizeof(htmldata)-1);
    }
    else
    {
        write(conn, errhtml, sizeof(errhtml)-1);
    }
    /* Close connection socket */
    close(conn);
}

/**
  * @brief  http_task
  * @param arg: pointer on argument(not used here) 
  * @retval None
  */
static void http_task(void *arg)
{
  int sock, newconn, size;
  struct sockaddr_in address, remotehost;

 /* create a TCP socket */
  if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
  {
    Printf("can not create socket");
    return;
  }
  
  /* bind to port 80 at any interface */
  address.sin_family = AF_INET;
  address.sin_port = htons(80);
  address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  if (bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof (address)) < 0)
  {
    Printf("can not bind socket");
    close(sock);
    return;
  }

  /* listen for connections (TCP listen backlog = 1) */
  listen(sock, 1); 
  size = sizeof(remotehost);
  while (1) 
  {
     newconn = accept(sock, (struct sockaddr *)&remotehost, (socklen_t *)&size);
     if (newconn >= 0)
     {
       http_server(newconn);
     }
     else
     {
       close(newconn);
     }
  }
}

/**************************************************************
 * void http_task_init(void)
 *
 * This function initializes the  service.
 **************************************************************/
void http_task_init(void)
{
    sys_thread_new( CHARGEN_THREAD_NAME, http_task, 0, 0, TCPIP_THREAD_PRIO+1); //函數棧在移植sys_thread_new中實現
}

4. 使用socket建立Modbus TCP應用

Modbus TCP在網絡傳輸層次，就是一串有特定含義的數據包的交互，LwIP層次並不識別是什麼數據。因此從這個角度來說，Modbus TCP移植和其餘TCP應用的移植沒有任何差異。

透過表面看本質，只有撥開外層重重包裝看本質，咱們才能從紛雜的事件中找到問題的重點，而後剝離不相關的部分，一次解決一個問題。基於這個思想，Modbus TCP應用能夠直接劃分爲2個層次，底層是驅動部分，負責一包數據從網絡上接收上來或發送出去，上層是Modbus的協議部分，就是Modbus寄存器的操做等。從這個角度來講，只要數據傳輸正確了，那麼怎麼處理就是另外一個問題了，好比能夠共用Modbus RS485的代碼等。

下面測試了Modbus TCP的數據傳輸。

Modbus TCP設計有幾個重要的點：

　　1）Modbus是連續通訊，不能和http同樣完成一次鏈接後就斷開，因此要不停的read，當讀出錯時在close(conn)關閉鏈接。

　　2）Modbus可能存在通訊失敗狀況，須要關閉socket後再從新創建socket。

　　3）Modbus做爲工業協議，應用場景下通常不會多個客戶端鏈接一臺機器，而且多個客戶端鏈接一臺機器，寄存器的讀寫互斥會是一個大問題，因此常見的作法是一旦鏈接成功，就關閉socket禁止其餘鏈接進來。客戶端主動斷開後再從新創建socket而後進入listen狀態。

/**
  * @brief serve modbus_tcp connection  
  * @param conn: connection socket 
  * @retval None
  */
void modbus_tcp_server(int conn) 
{
  int buflen = 1500;
  int ret;
  unsigned char recv_buffer[1500];
  int i;
    
 Printf("start modbus tcp\r\n");
  ret = read(conn, recv_buffer, buflen); 
  while ( ret > 0 )
  {
      ret = read(conn, recv_buffer, buflen);
      Printf("\r\n>:");  // debug print for(i=0; i<ret; i++)
      {
         Printf("%x ", recv_buffer[i]);
      }
      Printf("\r\n>");
  }
    
   close(conn);
   Printf("close modbus tcp\r\n");
}

/**
  * @brief  modbus_task
  * @param arg: pointer on argument(not used here) 
  * @retval None
  */
static void modbus_task(void *arg)
{
  int sock, newconn, size;
  struct sockaddr_in address, remotehost;

  while(1)
  {
       /* create a TCP socket */
        if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
       {
           Printf("can not create socket\r\n");
           OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0);
           continue;
       }

      address.sin_family = AF_INET;
      address.sin_port = htons(502);   // mosbus tcp port
      address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

     if (bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof (address)) < 0)
     {
         Printf("can not bind socket\r\n");
         close(sock);
         OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0);
         continue;
     }

     /* listen for incoming connections (TCP listen backlog = 1) */
     listen(sock, 1);

     size = sizeof(remotehost);
     newconn = accept(sock, (struct sockaddr *)&remotehost, (socklen_t *)&size);
     if (newconn >= 0)
     {
         close(sock);  //一次只接受一個鏈接
         Printf("connect socket\r\n");
         modbus_tcp_server(newconn);
     }
     else
     {
         close(sock);
         close(newconn);
     }
   }
}

/**************************************************************
 * void modbus_task_init(void)
 *
 * This function initializes the  service.
 **************************************************************/
void modbus_task_init(void)
{
    sys_thread_new( CHARGEN_THREAD_NAME, modbus_task, 0, 0, TCPIP_THREAD_PRIO+2); //函數棧在sys_thread_new中實現
}

本例旨在測試LwIP的socket，因此並無完整的實現modbus TCP，可是其中的幾行測試代碼足以說明Mosbus TCP通訊正常與否。

      ret = read(conn, recv_buffer, buflen);
      Printf("\r\n>:");  // debug print
      for(i=0; i<ret; i++)
      {
         Printf("%x ", recv_buffer[i]);
      }
      Printf("\r\n>");