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基于PXA270嵌入式系统的Socket通信的工作原理分析

<strong>  1 引言

  PXA270 是Intel 公司的一款基于XScale 架构的高集成度高性能嵌入式处理器,采用ARMv5TE内核,包含了Intel的SpeedStep 技术,优化了处理器的功耗,可以动态调节 CPU 的电压和频率来节省电源的功耗。支持多种嵌入式操作系统,如Linux、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks等。

  Socket接口是TCP/IP网络层的API,定义了许多函数和例程,可以用它们来开发TCP/IP网络层的应用程序。网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O,具有一个类似于打开文件的函数调用Socket(),该函数返回一个整型的Socket描述符,随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

  2 系统设计

  系统的设计分为服务器端和客户端设计两部分,服务器端为运行Linux操作系统的PC机,客户端为PXA270系统,在该系统中移植和构建Linux嵌入式操作系统,两者通过Switch交换机进行网络通信。

  2.1 系统工作原理

  在Linux 操作系统中,Socket 属于文件系统的一部分,网络通信可以被看作是对文件的读取。Linux 拥有POSIX 标准库函数,Socket()、Bind()、Sendto()、Recvfrom()等库函数可以方便地实现客户/ 服务器模型中数据的传送与接收。系统设计主要的目的是完成服务器和客户端网络通信的实现。首先启动宿主机和客户机的操作系统Linux,然后每个模块加载网络设备驱动程序,最后通过TCP/IP协议建立双方的通信链路,完成Socket通信,详细情况如图1所示。

  2.2 嵌入式TCP/IP协议架构

  嵌入式系统作为TCP服务器,在三次握手建立连接的过程中,嵌入式系统作为监听状态的服务器,处于LISTEN状态,等待对方发起连接。当它接收到SYN数据片,立即发出SYN+ACK的数据片确认收到对方的SYN,此时变为SYN_ RECEIVED状态。再接收到对方返回的一个包含ACK的空数据片则三次握手完成,进入ESTABLISHED状态,最后进行TCP数据通讯。

  图1 系统的原理示意图

  嵌入式系统建立连接时初始化序列号,然后根据对方发包中的值来确定序列号,不记忆序列号,不能识别重复报文。嵌入式服务器仅仅在服务器端响应客户端的请求,接收一个发送一个确认回答,不考虑失序问题。同时接收到TCP请求后,将存储于发送缓冲区中的数据立即发送即可,只需一个数据包就能完成,也不需考虑失序问题。

  因为嵌入式系统采用滑动窗口为1的传输方式,即发送一次数据包就等待返回应答,因此当接收不到确认包,就认为自己发送的包丢失,直接发送上次发送的数据。TCP的连接中,当客户机异常导致连接崩溃时,嵌入式系统发数据时会被回复复位信号,回到初始状态。嵌入式TCP/IP协议如图2所示。

  3 客户端/服务器端功能设计

  在TCP/IP网络中,通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户/服务器模式,即客户端向服务器端发出服务请求,服务器接收到请求后,提供相应的服务。客户/服务器模式在操作过程中采取的是主动请求方式。

  图2 嵌入式TCP/IP图解

  3.1 客户端程序设计

  客户端可以向服务器端发送连接请求,并且客户端也可以接收到来自服务器端发送回来的数据。客户端可以判断当前自己的工作状态,如连接的建立,启动的成功和数据包通信的个数等。客户端程序设计主要按以下的步骤完成函数的调用:

  ①建立自己的Socket(并验证建立成功);

  ②启动连接(并验证建立成功);

  ③返回连接信息;

  ④接收收到的数据;

  ⑤判断数据的属性。

  客户端程序设计的程序基本流程如图3所示。

  图3 客户端程序简单示意图

  客户端打开通信通道,并连接到服务器所在主机的特定端口,向服务器发送请求报文,等待并接收应答,请求结束后关闭通信通道并终止通信。客户端主要程序如下:

  Int main(int argc,char *argv[])

  if(argc!=3)

  printf("error!!!please enter the remote IP and PORT please!!! the form like 192.168.0.* 4000 ");

  mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); //建立一个套接字

  if(mysocket==-1)

  printf("error!!! failed to created the new socket,program end here ");

  printf("OK-- you have successful created a socket named mysocket ");

  return(0); //socket 建立不成功,回初始位置

  connectcheck=connect(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,sizeof(struct sockaddr));

  //调用connect函数连接服务器端

  if(connectcheck==-1)

  printf("error!!!sorry you have failed to connect the remote server!!try again !program end here ");

  // connect不成功回初始位置

  printf("OK-- Now you have successful connect the server,this server IP =%s,and it"s PORT =%s,now you can communicat with this server!!!!!!! ",argv[1],argv[2])

  //打印服务器IP地址和端口号

  while(1)

  bzero(gotbuffer,long);

  number=recv(mysocket,gotbuffer,long,0);

  //调用阻塞函数

  if(number==-1)

  printf("error!!! some thing wrong !let you can not got the data form server,program end here ");

 

  return(0);

  gotbuffer[number]="";

  close(mysocket);

  3.2 服务器端程序设计

  服务器端可以快速的做出客户端的连接请求反映,服务器端反映来自客户端的连接参数,如连接的IP、连接时间、连接的当前状态等。服务器启动后根据请求提供以下服务:

  ①打开通信通道并告知本地主机,在某一公认地址上接收客户请求;

  ②等待客户请求到达该端口;

  ③接收到重复服务请求,处理该请求并发送应答信号;

  ④返回第二步,等待另一客户请求;

  ⑤关闭服务器。

  服务器端程序设计的流程如图4所示。

  客户端与服务器端进程的作用是非对称的,因此编码不同。同时,服务器进程一般是先于客户请求请求而启动的,只要系统运行,该服务进程一直存在,直到正常或强迫终止。服务器端主要程序如下:

  mysocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

  //建立新的套接字

  if(mysocket==-1)

  printf("error!!! failed to created mysocket ");

  return(0); //socket建立不成功,回初始位置

  mybindcheck=bind(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_local,sizeof(struct sockaddr));

  if(mybindcheck==-1)

  printf("error!!!failed to bind the IP and port with mysocket ");

  return(0);

  图4 服务器端程序简单示意图

  { printf("OK--you have successed bind your IP with port %d ",port);

  listencheck=listen(mysocket,howmany);

  if(listencheck==-1)

  printf("error!!! you have failed listen this port,program end here ");

  return(0); //调用监听函数

  sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);

  newsocket=accept(mysocket,(struct sockaddr*)&addr_remote,&sin_size);

  //调用接收函数

  if(newsocket==-1)

  printf("error!!!failed to got remote connect this server,program end here ");

  return(0); //建立新的socket失败返回

  printf("OK-- now have created the newsocket to use this own connection,use this communicate with clint%s ",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr),port);

  printf("OK-- server have successed got connect from clint IP = %s,port = %d,now connecting is running; ",inet_ntoa(addr_remote.sin_addr),port)

  pid_t pid;

  pid=fork(); //调用fork()建立子进程

  if(pid>0)

  printf("OK-- i am a father procces,child proccess will continue for you,it"s ID= %d,now end newsock and use old socket to listen again................. ",pid);

  close(newsocket);

  printf("OK-- i am a child procces,i am responsible for this new communicate,blow i will do for connect ");

  printf("OK-- please enter your data which you want to send n");

  while(1)

  bzero(sendbuffer,long);

  scanf("%s",sendbuffer);

  sendcheck=send(newsocket,sendbuffer,strlen(sendbuffer),0); //发送数据

  if(sendcheck==-1)

  printf("error!!!failed to send to remote ");

  close(newsocket);

  else

  printf("OK--now you have send %d byte data to remote!!!pleases send again!!!! ",sendcheck);

  4 应用与测试

  图5 数据发送验证客户端

  系统测试前,服务器端通过以太网和客户端实现连接。客户端构建了linux嵌入式操作系统,客户端的程序通过嵌入式交叉编译环境进行调试。测试前应保证网络的顺畅和串口的操作正常。

  启动服务器端,运行Linux操作系统,并建立新的用户终端,然后运行服务器端socket通信程序。

  启动客户端,运行Linux嵌入式操作系统,配置IP地址为192.168.15.15,运行客户端socket通信程序。

  服务器端和客户端连接,在服务器端会有详细的连接请求显示出来,如IP地址、服务器当前状态,通信模式等。服务器开始发送数据,客户端开始接收来自服务器的数据,验证是否正确。图5为数据发送验证客户端。

  5 结论

  通过在PXA270中增加嵌入式操作系统Linux的基础上实现一个较为简单的网络通信模块,验证了嵌入式系统socket通行的可行性,实现嵌入式系统基于TCP/IP协议的网络接入,针对各种智能设备如家用电器、工业控制装置或仪器、安全监控系统、汽车电子接入互联网变得简单容易。

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