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寫成非常方便移植，並且支持socket接口，使用者可以集中精力處理應用功能。
本文是LwIP socket的一個使用小結，使用的測試平台是stm32+enc28j60+lwip+uc/OS-II。
2. 使用socket
一個基本的socket建立順序是:
Server端：
- socket()
- bind()
- listen()
- accept()
- recv()
Client端：
- 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，可以參考lwip\src\include\lwip\sockets.h。
#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);
服務器根據地址類型（ipv4,ipv6）、socket類型、協議創建socket。
domain:協議族，常用的有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL、AF_ROUTE其中AF_INET代表使用ipv4地址
type:socket類型，常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:協議。常用的協議有，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
通常服務器在啟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用作http，502用作modbus。
int listen(int sockfd, int backlog);
監聽socket
sockfd:要監聽的socket描述字
backlog:相應socket可以排隊的最大連接個數
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
連接某個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之后，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：緩沖區
count：緩沖區長度
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：緩沖區
count：緩沖區長度
int close(int fd);
socket標記為以關閉 ，使相應socket描述字的引用計數-1，當引用計數為0的時候，觸發TCP客戶端向服務器發送終止連接請求。
3. 使用socket創建嵌入式WebServer
要使用socket的前提是已經做好lwip和rtos的移植，如果低層驅動移植完畢，就可以使用socket快速創建應用。
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創建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層次並不識別是什么數據。所以從這個角度來講，Modbus TCP移植和其他TCP應用的移植沒有任何差別。
透過表面看本質，只有撥開外層重重包裝看本質，我們才能從紛雜的事件中找到問題的重點，然后剝離不相關的部分，一次解決一個問題。基於這個思想，Modbus TCP應用可以直接划分為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寄存器的操作等。從這個角度來說，只要數據傳輸正確了，那么怎么處理就是另一個問題了，比如可以共用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是連續通信，不能和http一樣完成一次連接后就斷開，所以要不停的read，當讀出錯時在close(conn)關閉連接。
2）Modbus可能存在通信失敗情況，需要關閉socket后再重新建立socket。
3）Modbus作為工業協議，應用場景下一般不會多個客戶端連接一台機器，並且多個客戶端連接一台機器，寄存器的讀寫互斥會是一個大問題，所以常見的做法是一旦連接成功，就關閉socket禁止其他連接進來。客戶端主動斷開后再重新建立socket然后進入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); //一次只接受一個連接
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，所以並沒有完整的實現modbus TCP，但是其中的幾行測試代碼足以說明Mosbus TCP通信正常與否。
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>");
可以啟動一個modbus poll來測試這段代碼。
如下，軟件連接成功說明已經完成socket連接，但是有通信error這是因為沒有實現協議處理導致的。
modbus poll的通信數據監控，沒有做回復處理所以此處看到的全是Tx：
再看上面Printf函數的串口輸出，其中LED ON/OFF是另外一個task在運行。
可以看到，所有modbus poll發送的數據包都被modbus_tcp_server函數正確接收，如果加上協議處理，那么就是一個完整的modbus TCP應用。
