LwIP之socket应用--WebServer和Modbus TCP
1. 引言
LwIP是嵌入式领域一个流行的以太网协议栈， LwIP开放源码，用C写成非常方便移植，并且支持socket接口，使用者可以集中精力处理应用功能。
本文是LwIP socket的一个使用小结，使用的测试平台是stm32+enc28j60+lwip+uc/OS-II。
2. 使用socket
一个基本的socket建立顺序是:
Server端：
- socket()
- bind()
- listen()
- accept()
- recv()
Client端：
- socket()
- connect()
- send()
lwip的socket和PC上的socket接口一致，只是底层实现用lwip的API进行了封装，可以参考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);
服务器根据地址类型（ipv4,ipv6）、socket类型、协议创建socket。
domain:协议族，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类型，常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等
protocol:协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
把一个地址族中的特定地址赋给socket
sockfd:socket描述字，也就是socket引用
addr:要绑定给sockfd的协议地址
addrlen:地址的长度
通常服务器在启动的时候都会绑定一个地址（如ip地址+端口号），用于提供服务。有些端口号是约定俗成的不能乱用，如80用作http，502用作modbus。
int listen(int sockfd, int backlog);
监听socket
sockfd:要监听的socket描述字
backlog:相应socket可以排队的最大连接个数
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
连接某个socket
sockfd:客户端的socket描述字
addr:服务器的socket地址
addrlen:socket地址的长度
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
TCP服务器监听到客户端请求之后，调用accept()函数取接收请求
sockfd:服务器的socket描述字
addr:客户端的socket地址
addrlen:socket地址的长度
size_t read(int fd, void *buf, size_t count);
读取socket内容
fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度
size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
向socket写入内容，其实就是发送内容
fd:socket描述字
buf：缓冲区
count：缓冲区长度
int close(int fd);
socket标记为以关闭 ，使相应socket描述字的引用计数-1，当引用计数为0的时候，触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。
3. 使用socket创建嵌入式WebServer
要使用socket的前提是已经做好lwip和rtos的移植，如果低层驱动移植完毕，就可以使用socket快速创建应用。
本例是一个简单的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); //函数栈在移植sys_thread_new中实现 }
4. 使用socket创建Modbus TCP应用
Modbus TCP在网络传输层次，就是一串有特定含义的数据包的交互，LwIP层次并不识别是什么数据。所以从这个角度来讲，Modbus TCP移植和其他TCP应用的移植没有任何差别。
透过表面看本质，只有拨开外层重重包装看本质，我们才能从纷杂的事件中找到问题的重点，然后剥离不相关的部分，一次解决一个问题。基于这个思想，Modbus TCP应用可以直接划分为2个层次，底层是驱动部分，负责一包数据从网络上接收上来或发送出去，上层是Modbus的协议部分，就是Modbus寄存器的操作等。从这个角度来说，只要数据传输正确了，那么怎么处理就是另一个问题了，比如可以共用Modbus RS485的代码等。
下面测试了Modbus TCP的数据传输。
Modbus TCP设计有几个重要的点：
1）Modbus是连续通信，不能和http一样完成一次连接后就断开，所以要不停的read，当读出错时在close(conn)关闭连接。
2）Modbus可能存在通信失败情况，需要关闭socket后再重新建立socket。
3）Modbus作为工业协议，应用场景下一般不会多个客户端连接一台机器，并且多个客户端连接一台机器，寄存器的读写互斥会是一个大问题，所以常见的做法是一旦连接成功，就关闭socket禁止其他连接进来。客户端主动断开后再重新建立socket然后进入listen状态。
/** * @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); //一次只接受一个连接
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); //函数栈在sys_thread_new中实现 }
本例旨在测试LwIP的socket，所以并没有完整的实现modbus TCP，但是其中的几行测试代码足以说明Mosbus TCP通信正常与否。
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>");
可以启动一个modbus poll来测试这段代码。
如下，软件连接成功说明已经完成socket连接，但是有通信error这是因为没有实现协议处理导致的。
modbus poll的通信数据监控，没有做回复处理所以此处看到的全是Tx：
再看上面Printf函数的串口输出，其中LED ON/OFF是另外一个task在运行。
可以看到，所有modbus poll发送的数据包都被modbus_tcp_server函数正确接收，如果加上协议处理，那么就是一个完整的modbus TCP应用。
