APM32: LWIP2.2 Socket编程应用

只看该作者 · 2024-10-16 10:05

本帖最后由 DKENNY 于 2024-10-16 13:20 编辑

#申请原创# @21小跑堂

前言
在现代网络应用开发中，Socket编程是实现计算机之间高效通信的基础。本文将深入探讨基于LWIP2.2的Socket编程，特别是在APM32嵌入式平台上的应用。Socket作为网络通信的核心工具，允许开发者通过IP地址和端口号建立连接，实现数据的发送和接收。我们将介绍Socket的基本概念、编程流程以及在LWIP中如何使用Socket API进行网络通信。

1 什么是Socket？
Socket 就是一个让计算机之间可以通过网络互相交流的工具。可以这么理解，它就是网络中的一个“插座”，通过这个插座，程序就能发送和接收信息。每个 Socket 代表着一个网络连接，通常由一个 IP 地址（类似于计算机的地址）和一个端口号（类似于房间号）组成。这样，信息就能准确地找到目的地。

1.1 Socket 的基本概念
- IP地址：标识网络中某一设备的地址。
- 端口号：标识设备上某一特定服务或应用程序的入口。
- 套接字：在编程中，Socket 是一个抽象的概念，通常用一个整数来表示，程序通过这个整数来进行网络操作。

1.2 Socket 编程
Socket 编程是指使用 Socket 接口进行网络通信的编程方式。它允许开发者创建网络应用程序，比如网页浏览器、聊天程序、文件传输工具等。Socket 编程通常涉及以下几个步骤：
1. 创建 Socket：使用系统提供的 API 创建一个 Socket。
2. 绑定：将 Socket 绑定到一个特定的 IP 地址和端口号，以便接收数据。
3. 监听（对于服务器）：在服务器端，Socket 需要监听来自客户端的连接请求。
4. 接受连接（对于服务器）：服务器接受客户端的连接请求，建立连接。
5. 发送和接收数据：通过已建立的连接，进行数据的发送和接收。
6. 关闭连接：完成通信后，关闭 Socket 以释放资源。

1.3 应用场景
- Web 服务器：处理来自浏览器的请求。
- 聊天应用：实现实时消息传递。
- 文件传输：在网络中传输文件。
总之，Socket 编程是网络应用开发的基础，能够实现不同设备之间的高效通信。

2 LWIP中的Socket
Socket 类型：
- 流式 Socket（SOCK_STREAM）：用于 TCP 连接，提供可靠的、面向连接的通信。
- 数据报 Socket（SOCK_DGRAM）：用于 UDP 连接，提供无连接的、不可靠的通信。

在 LwIP 中，Socket API 是建立在 NETCONN API 之上的。系统最多可以提供 MEMP_NUM_NETCONN 个netconn 连接结构，因此可用的 Socket 套接字数量也相应限制为这个数值。为了更好地封装 netconn，LwIP 定义了一个名为 lwip_sock 的套接字结构体（可以称之为 Socket 连接结构）。每个 lwip_sock 内部都包含一个指向 netconn 的指针，从而实现了对 netconn 的进一步封装。
那么，如何找到 lwip_sock 这个结构体呢？LwIP 定义了一个类型为 lwip_sock 的 sockets 数组，通过套接字可以直接索引并访问这个结构体。这也是为什么套接字被表示为一个整数的原因。lwip_sock 结构体相对简单，因为它主要依赖于 netconn 的实现。

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#define NUM_SOCKETS MEMP_NUM_NETCONN

/** 包含用于套接字的所有内部指针和状态 */

struct lwip_sock {

  /** 套接字当前是基于 netconn 构建的，每个套接字都有一个 netconn */

  struct netconn *conn;

  /** 上一次读取时留下的数据 */

  union lwip_sock_lastdata lastdata;

#if LWIP_SOCKET_SELECT || LWIP_SOCKET_POLL

  /** 接收到数据的次数，由 event_callback() 设置，由接收和选择函数测试 */

  s16_t rcvevent;

  /** 数据被确认的次数（释放发送缓冲区），由 event_callback() 设置，由选择测试 */

  u16_t sendevent;

  /** 此套接字发生的错误，由 event_callback() 设置，经过选择测试 */

  u16_t errevent;

  /** 使用选择等待此套接字的线程数量计数器 */

  SELWAIT_T select_waiting;

#endif /* LWIP_SOCKET_SELECT || LWIP_SOCKET_POLL */

#if LWIP_NETCONN_FULLDUPLEX

  /* 使用 struct lwip_sock 的线程数量计数器（不是 'int'） */

  u8_t fd_used;

  /* 待处理关闭/删除操作的状态 */

  u8_t fd_free_pending;

#define LWIP_SOCK_FD_FREE_TCP  1

#define LWIP_SOCK_FD_FREE_FREE 2

#endif

};

Socket 通信流程，可参考以下流程图。

3 Socket API
下面是Socket通信常用的API介绍。
3.1 socket()

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

- 功能：创建一个新的套接字。
- 参数：
   - domain：协议簇（如 AF_INET）。
   - type：套接字类型（如 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）。
   - protocol：协议（通常为0，表示自动选择）。
- 返回值：成功时返回套接字描述符，失败时返回 -1。

3.2 bind()

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

- 功能：将套接字绑定到一个地址（IP和端口）。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - addr：指向 sockaddr 结构的指针，包含要绑定的地址。
   - addrlen：地址结构的长度。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.3 listen()

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int listen(int sockfd, int backlog);

- 功能：将套接字设置为被动监听状态，等待连接请求。
- 参数：
- sockfd：套接字描述符。
- backlog：等待连接的最大数量。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.4 accept()

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

- 功能：接受一个连接请求，返回新的套接字用于与客户端通信。
- 参数：
   - sockfd：监听套接字描述符。
   - addr：指向 sockaddr 结构的指针，用于存储客户端地址。
   - addrlen：指向地址长度的指针。
- 返回值：成功时返回新的套接字描述符，失败时返回 -1。

3.5 connect()

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

- 功能：连接到指定的服务器。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - addr：指向 sockaddr 结构的指针，包含服务器地址。
   - addrlen：地址结构的长度。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.6 send()

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ssize_tsend(int sockfd, const void *buf, size_tlen, int flags);

- 功能：向连接的套接字发送数据。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - buf：指向要发送数据的缓冲区。
   - len：要发送的数据长度。
   - flags：发送选项（通常为0）。
- 返回值：成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1。

3.7 recv()

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ssize_trecv(int sockfd, void *buf, size_tlen, int flags);

- 功能：从连接的套接字接收数据。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - buf：指向接收数据的缓冲区。
   - len：缓冲区的大小。
   - flags：接收选项（通常为0）。
- 返回值：成功时返回接收到的字节数，失败时返回 -1。

3.8 close()

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int close(int sockfd);

- 功能：关闭套接字，释放资源。
- 参数：
- sockfd：套接字描述符。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.9 setsockopt()

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int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_toptlen);

- 功能：设置套接字选项。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - level：选项级别（如 SOL_SOCKET）。
   - optname：选项名称（如 SO_REUSEADDR）。
   - optval：指向选项值的指针。
   - optlen：选项值的长度。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.10 getsockopt()

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int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);

- 功能：获取套接字选项。
- 参数：
   - sockfd：套接字描述符。
   - level：选项级别（如 SOL_SOCKET）。
   - optname：选项名称。
   - optval：指向存储选项值的缓冲区。
   - optlen：指向选项值长度的指针。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1。

3.11 总结
LWIP的Socket API提供了创建、绑定、监听、连接、发送和接收数据的基本功能，适用于嵌入式系统的网络编程。通过这些API，我们可以实现网络通信的各种需求。

4 Socket 编程实例
这次依旧实现一个简单的UDP的回显功能。由于我们已经实现了LWIP NETCONN UDP编程实例，所以我们直接沿用这个例程。
4.1 开启LWIP Socket编程

4.2 修改udp_ehco.c。

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#include "FreeRTOS.h"

#include "lwip/opt.h"

#include "task.h"



#include "lwip/sockets.h"

#include "lwip/api.h"

#include "lwip/sys.h"



#include <stdbool.h>



#define UDPECHO_THREAD_PRIO  ( tskIDLE_PRIORITY + 5 ) // 定义UDP回显线程的优先级



#define PORT              6000 // 定义UDP服务器监听的端口号

#define RECV_DATA         (1024) // 定义接收数据的缓冲区大小

/*-----------------------------------------------------------------------------------*/



static void udpecho_thread(void *arg) // UDP回显线程函数

{

    int sock = -1; // 套接字描述符

    char *recv_data = NULL; // 接收数据的缓冲区

    struct sockaddr_in udp_addr, seraddr; // UDP地址结构

    int recv_data_len; // 接收数据的长度

    socklen_t addrlen = sizeof(seraddr); // 初始化地址长度

    bool success = true; // 变量用于跟踪成功状态



    // 分配接收数据缓冲区

    recv_data = (char *)pvPortMalloc(RECV_DATA);

    if (recv_data == NULL) // 检查内存分配是否成功

    {

        printf("No memory\r\n"); // 打印内存不足信息

        success = false; // 设置成功状态为false

    }



    // 创建UDP套接字

    if (success)

    {

        sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字

        if (sock < 0) // 检查套接字创建是否成功

        {

            printf("Socket error\r\n"); // 打印套接字错误信息

            success = false; // 设置成功状态为false

        }

    }



    // 绑定套接字

    if (success)

    {

        udp_addr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4

        udp_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用接口

        udp_addr.sin_port = htons(PORT); // 设置端口号

        memset(&(udp_addr.sin_zero), 0, sizeof(udp_addr.sin_zero)); // 清零结构体的剩余部分



        if (bind(sock, (struct sockaddr *)&udp_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) // 绑定套接字

        {

            printf("Unable to bind\r\n"); // 打印绑定失败信息

            success = false; // 设置成功状态为false

        }

    }



    // 主循环

    while (success)

    {

        recv_data_len = recvfrom(sock, recv_data, RECV_DATA, 0, (struct sockaddr*)&seraddr, &addrlen); // 接收数据

        if (recv_data_len < 0) // 检查接收是否成功

        {

            printf("Receive error\r\n"); // 打印接收错误信息

            break; // 退出循环

        }



        /* 显示发送者的IP地址 */

        printf("receive from %s\r\n", inet_ntoa(seraddr.sin_addr)); // 打印发送者IP地址



        /* 显示发送者发送的字符串 */

        printf("receive data: %s\r\n\r\n", recv_data); // 打印接收到的数据



        /* 将字符串返回给发送者 */

        sendto(sock, recv_data, recv_data_len, 0, (struct sockaddr*)&seraddr, addrlen); // 发送回显数据

    }



    // 清理资源

    if (sock >= 0) // 检查套接字是否有效

        closesocket(sock); // 关闭套接字

    if (recv_data) // 检查接收数据缓冲区是否有效

        free(recv_data); // 释放接收数据缓冲区

}



/*-----------------------------------------------------------------------------------*/

void udpecho_init(void) // 初始化UDP回显功能

{

    sys_thread_new("udpecho_thread", udpecho_thread, NULL, DEFAULT_THREAD_STACKSIZE, UDPECHO_THREAD_PRIO ); // 创建UDP回显线程

}

以下是对代码功能的详细分析：
主要功能
   - 1. 创建UDP套接字：创建一个UDP套接字，用于接收和发送数据。
   - 2. 绑定套接字：将套接字绑定到指定的端口（6000），以便接收来自该端口的数据。
   - 3. 接收数据：在主循环中，服务器不断接收来自客户端的数据。
   - 4. 回显数据：接收到数据后，服务器将其打印到控制台，并将相同的数据返回给发送者（回显功能）。
   - 5. 资源管理：在退出时，清理分配的资源，包括关闭套接字和释放内存。

4.3 实验现象
打开网络调试助手和串口调试助手，使用网口线连接，现象如下。

5.总结
以上只实现了UDP的一个简单实例，TCP的实现也不是太过于复杂，有兴趣的小伙伴可以尝试尝试。以下是我针对Socket编程的TCP和UDP配置流程做了一个简单的梳理表格。

步骤	TCP编程流程描述	UDP编程流程描述
1. 初始化LWIP	初始化LWIP协议栈，设置内存池和网络接口，确保LWIP能够正常工作。	同样初始化LWIP协议栈，设置内存池和网络接口，准备进行UDP通信。
2. 创建Socket	创建一个TCP Socket，指定协议族（如IPv4）和Socket类型（SOCK_STREAM）	创建一个UDP Socket，指定协议族（如IPv4）和Socket类型（SOCK_DGRAM）
3. 绑定Socket	将Socket绑定到特定的IP地址和端口号，以便接收来自该地址和端口的连接请求。	将Socket绑定到特定的IP地址和端口号，以便接收来自该地址和端口的数据报。
4. 监听连接	设置Socket为监听状态，准备接受客户端的连接请求。	不需要监听，因为UDP是无连接的协议，直接发送和接收数据报。
5. 接受连接	使用接受函数来接受客户端的连接请求，创建一个新的Socket用于与客户端通信。	不需要接受连接，直接使用绑定的Socket进行数据的发送和接收。
6. 发送和接收数据	通过已建立的连接进行数据的发送和接收，双方可以进行多次数据交互。	直接使用Socket发送和接收数据报，数据报是独立的，不需要建立连接。
7. 关闭Socket	在完成通信后，关闭Socket，释放资源，并进行四次挥手以正常终止连接。	在完成数据传输后，关闭Socket，释放资源。UDP不需要进行连接终止的过程。
8. 清理资源	清理LWIP使用的资源，包括释放内存和关闭网络接口，确保系统稳定。	同样清理LWIP使用的资源，确保没有内存泄漏和其他潜在问题。

附件是相关Demo, LWIP Socket UDP Demo。

UDP_SOCKET.zip (6.71 MB)

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