基于嵌入式的socket編程及其應(yīng)用

任安虎　李鵬飛

摘 要：socket套接字可提供一種在不同計算機(jī)，不同系統(tǒng)間通信的解決方案，是在實際網(wǎng)絡(luò)編程中使用的重要手段，并且在不同的平臺擁有完善的API接口函數(shù)和實現(xiàn)方法。TCP/IP協(xié)議是目前使用最廣泛的Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議，該協(xié)議免費、穩(wěn)定、通用性強(qiáng)，是輕量級數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪髁鹘鉀Q方案。文中提供了在TCP/IP協(xié)議下的socket編程方法，并建立了一個基于Linux操作系統(tǒng)和S3C2440的ARM嵌入式平臺。使用此方法可實現(xiàn)基于Linux操作系統(tǒng)的ARM平臺與Windows系統(tǒng)的PC間通信。

關(guān)鍵詞：socket編程；TCP/IP協(xié)議；嵌入式；ARM微處理器；Linux操作系統(tǒng)；應(yīng)用程序編程接口

中圖分類號：TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

近年來，隨著智慧城市等概念的興起，嵌入式系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到了空前發(fā)展。而嵌入式設(shè)備與計算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信技術(shù)是該系統(tǒng)重要的支撐技術(shù)[1]，以此入手，提供一種基于TCP/IP協(xié)議的socket編程實現(xiàn)ARM平臺與PC間的數(shù)據(jù)通信解決方案，其設(shè)計思路與源碼，可供讀者參考借鑒。

使用搭載ARM9架構(gòu)的S3C2440微處理器和DM9000系列網(wǎng)卡的TX2440A開發(fā)板，并在其上移植Linux系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能，被廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域[2]。將ARM開發(fā)板作為客戶端，PC作為服務(wù)器，通過socket編程使ARM平臺與PC端建立通信，關(guān)鍵源碼及詳細(xì)解釋將在最后給出。

1 Socket編程原理及API函數(shù)簡介

Socket最早出現(xiàn)于UNIX系統(tǒng)中，是TCP/IP協(xié)議棧向應(yīng)用程序提供的API接口，用于在兩個基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序間相互通信。但設(shè)計人員也考慮了socket的擴(kuò)展，使之可以適用于其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有良好的通用性[3]。

常見的socket類型分為三種：流模式套接字（SOCK_STREAM）、數(shù)據(jù)報套接字（SOCK_DGRAM）和原始套接字（SOCK_RAM）。實現(xiàn)作為客戶端的ARM平臺與服務(wù)器端的PC間的通信，即實現(xiàn)Linux系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)間的通信，因此對應(yīng)的socket接口函數(shù)也有兩套：分別為Linux系統(tǒng)的socket函數(shù)和Windows系統(tǒng)的socket函數(shù)，socket主要包括用于連接的connect函數(shù)，用于接受連接的accept函數(shù)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)的send函數(shù)，用于接收數(shù)據(jù)的recv函數(shù)等。以上函數(shù)分別為Linux操作系統(tǒng)的客戶端和Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器端socket編程主要使用的函數(shù)，只有基于對這些函數(shù)的了解和認(rèn)識，才能更好地理解跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信的原理和方法。

2 客戶端在ARM上的移植

搭載S3C2440微處理器的TX2440A開發(fā)板，在其上移植2.6.32內(nèi)核版本的Linux系統(tǒng)。通過Linux系統(tǒng)的arm-linux-gcc交叉編譯工具將客戶端源碼進(jìn)行交叉編譯，生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件，將該文件拷貝至開發(fā)板運行，即可打開客戶端應(yīng)用程序。

客戶端應(yīng)用程序的主要源代碼如下：

……

int port = atoi（args[2]）；

int st = socket（AF_INET， SOCK_STREAM， 0）； //初始化socket，

struct sockaddr_in addr； //定義一個IP地址的結(jié)構(gòu)

memset（&addr， 0， sizeof（addr））；

addr.sin_family = AF_INET； //設(shè)置結(jié)構(gòu)地址類型為TCP/IP地址

addr.sin_port = htons（port）； //端口號：htons：將short類型從host字節(jié)類型到 net字節(jié) 類型轉(zhuǎn)化

addr.sin_addr.s_addr = inet_addr（args[1]）；//將字符串類型的IP地址轉(zhuǎn)化為int，賦給addr結(jié)構(gòu)成員.

//調(diào)用connect連接到結(jié)構(gòu)addr指定的IP地址和端口號

if （connect（st， （struct sockaddr *） &addr， sizeof（addr）） == -1）

……

while （1）

{

……

read（STDIN_FILENO， s， sizeof（s））； //從鍵盤讀取用戶輸入

if （send（st， s， strlen（s）， 0） == -1） //發(fā)送buf的數(shù)據(jù)

……

if （recv（st， s， sizeof（s）， 0） > 0） //如果接收數(shù)據(jù)失敗，循環(huán)break

printf（"recv %s＼n"， s）；

……

}

close（st）； //關(guān)閉socket

……

由程序可以看出，客戶端首先創(chuàng)建一個套接字和一個結(jié)構(gòu)體sockaddr保存服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)信息，然后調(diào)用connect函數(shù)將套接字連接到該結(jié)構(gòu)體指定的IP地址和端口號，連接成功后建立一個字符串s，以死循環(huán)的模式讀取鍵盤輸入寫入s，并調(diào)用send函數(shù)將s發(fā)送出去，然后調(diào)用recv函數(shù)從服務(wù)器端接收消息。如果接收數(shù)據(jù)失敗，則退出循環(huán)，關(guān)閉套接字。

3 服務(wù)器端在PC上的建立

使用Microsoft visual stdio 2013作為開發(fā)編譯環(huán)境，界面友善，功能強(qiáng)大。

服務(wù)器端應(yīng)用程序主要源代碼如下：

……

//加載socket庫函數(shù)

WORD wVersionRequested；

WSADATA wsaData；

int err；

wVersionRequested = MAKEWORD（1， 1）；

err = WSAStartup（wVersionRequested， &wsaData）；

……

if （LOBYTE（wsaData.wVersion） ！= 1 ||

HIBYTE（wsaData.wVersion） ！= 1）

{

WSACleanup（）；

return 0；

}

printf（“l(fā)oad socket function success?。躰”）；

……

//將IP與server程序綁定

if （bind（st， （struct sockaddr *） &addr， sizeof（addr）） == -1）

……

//server端開始listen，

if （listen（st， 20） == -1）

……

int client_st = 0；//client端socket

struct sockaddr_in client_addr； //表示client端的IP地址

int len = sizeof（client_addr）；

……

//accept會阻塞，直到有客戶端連接過來，accept返回client的socket描述符

client_st = accept（st， （struct sockaddr *）&client_addr， &len）；

……

while （1）

{

……

int rc = recv（client_st， s， sizeof（s）， 0）； //recv是阻塞調(diào)用，

if （rc > 0） //接收來自client的消息

{

……

fgets（ s， sizeof（s）， stdin）；

send（client_st， s， strlen（s）， 0）；

}

else

{

……

}

}

close（client_st）； //關(guān)閉client端socket

close（st）； //關(guān)閉server端listen的socket

……

由程序可以看出，服務(wù)器端首先調(diào)用WSAStartup函數(shù)加載Windows socket庫函數(shù)，創(chuàng)建一個套接字和一個結(jié)構(gòu)體sockaddr保存本地網(wǎng)絡(luò)信息，調(diào)用bind函數(shù)將套接字與本地網(wǎng)絡(luò)信息綁定并調(diào)用listen函數(shù)開始偵聽。然后創(chuàng)建一個客戶端套接字描述符client_st和一個sockaddr_in格式的結(jié)構(gòu)體用于存儲客戶端網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)有客戶端發(fā)起connect請求時，程序調(diào)用accept函數(shù)與客戶端建立連接，連接成功后建立一個字符串s，以死循環(huán)的模式接收來自客戶端的數(shù)據(jù)寫入s并打印在屏幕上，并讀取鍵盤輸入寫入s，并調(diào)用send函數(shù)將s發(fā)送出去，如果接收失敗則退出循環(huán)，釋放客戶端和服務(wù)器端套接字的資源。

4 嵌入式設(shè)備與計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接

上面章節(jié)對客戶端和服務(wù)器端的源碼和原理分別做出介紹，讀者也許不能從整體上很好地理解，圖1展示了TCP/IP的客戶端/服務(wù)器程序模型，幫助讀者能更直觀的理解TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接的原理和流程[4]。

相信結(jié)合程序模型圖，以及上面章節(jié)對原理和源碼的介紹，讀者很容易的理解網(wǎng)絡(luò)中客戶端和服務(wù)器收發(fā)數(shù)據(jù)的原理和流程。下面給出客戶端和服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)嶋H在兩個平臺上運行的結(jié)果演示。

首先，在VS2013中打開服務(wù)器源碼srv.c，編譯運行，服務(wù)器阻塞等待客戶端連接請求。其打開圖如圖2所示。

其次，使用交叉編譯工具arm-linuc-gcc編譯客戶端源碼，生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件clt，將其拷貝至開發(fā)板，配置開發(fā)板網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，打開客戶端應(yīng)用程序，通過超級終端查看開發(fā)板的運行情況，具體如圖3所示。

圖1 TCP/IP程序模型圖

圖2 服務(wù)器打開

圖3 客戶端連接服務(wù)器

可以看到服務(wù)器已經(jīng)接受了客戶端的連接請求，此時服務(wù)器已經(jīng)可以和客戶端進(jìn)行通信，圖4所示是服務(wù)器語客戶端進(jìn)行通信的操作圖形。

圖4 服務(wù)器與客戶端通信

5 結(jié) 語

伴隨微型專用計算機(jī)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備將用于生活的方方面面，嵌入式設(shè)備與計算機(jī)的通信需求也隨之增長。本文介紹了socket編程機(jī)制及跨平臺實現(xiàn)了一組套接字程序，可以看出socket描述網(wǎng)絡(luò)程序直觀、實用性強(qiáng)、框架清晰。該系統(tǒng)目前基本實現(xiàn)了即時通信的功能，但尚有一些不完善的地方，如未能實現(xiàn)服務(wù)器處理并發(fā)客戶端連接請求，下一步我們將對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

參考文獻(xiàn)

[1]詹文元，金花，程永誼. 基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的socket編程及通信協(xié)議[J].可編程控制器與工廠自動化，2005（1）：117-122.

[2]林偉，黃康.基于S3C44B0X的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信研究[J].微計算機(jī)信息，2007，23（8）：36-39.

[3]王堃，于悅，張玉華，等. 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的Socket設(shè)計與優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2012，42（S1）：290-294.

[4]鄧全良.Winsock網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2002：36-38.

[5]吳佩賢.Linux環(huán)境下基于TCP的Socket編程淺析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（16）：53-56.

[6]郭東升，田秀華.Linux環(huán)境下基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信[J].軟件導(dǎo)刊，2009，8（1）：116-118.

[7]王曉鵬.TCP/IP下的Socket及Winsock通信機(jī)制[J].航空計算技術(shù)，2004，34（2）：126-129.

[8]劉赟. Winsock技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].西南科技大學(xué)學(xué)報，2013，28（2）：88-92.