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> - Page not found</h1>\

            </body>\

        </html>"; 

/**

  * @brief serve tcp connection

  * @param conn: connection socket

  * @retval None

  */

void http_server(int conn)

{

  int buflen = ;

  int ret;

  unsigned char recv_buffer[];

  /* Read in the request */

  ret = read(conn, recv_buffer, buflen);

  if(ret <= )

  {

    close(conn);

    Printf("read failed\r\n");

    return;

  }

    Printf("http server response!\r\n");

    if(strncmp((char *)recv_buffer, "GET /lwip", ) == )

    {

        write(conn, htmldata, sizeof(htmldata)-);

    }

    else

    {

        write(conn, errhtml, sizeof(errhtml)-);

    }

    /* 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, )) < )

  {

    Printf("can not create socket");

    return;

  }

  /* bind to port 80 at any interface */

  address.sin_family = AF_INET;

  address.sin_port = htons();

  address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

  if (bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof (address)) < )

  {

    Printf("can not bind socket");

    close(sock);

    return;

  }

  /* listen for connections (TCP listen backlog = 1) */

  listen(sock, );

  size = sizeof(remotehost);

  while ()

  {

     newconn = accept(sock, (struct sockaddr *)&remotehost, (socklen_t *)&size);

     if (newconn >= )

     {

       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, , , TCPIP_THREAD_PRIO+); //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 = ;

  int ret;

  unsigned char recv_buffer[];

  int i;

    
  Printf("start modbus tcp\r\n");

  ret = read(conn, recv_buffer, buflen);

  while ( ret >  )

  {

      ret = read(conn, recv_buffer, buflen);

      Printf("\r\n>:");  // debug print

      for(i=; 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()

  {

       /* create a TCP socket */

        if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, )) < )

       {

           Printf("can not create socket\r\n");

           OSTimeDlyHMSM(, , , );

           continue;

       }

      address.sin_family = AF_INET;

      address.sin_port = htons();   // mosbus tcp port

      address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

     if (bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof (address)) < )

     {

         Printf("can not bind socket\r\n");

         close(sock);

         OSTimeDlyHMSM(, , , );

         continue;

     }

     /* listen for incoming connections (TCP listen backlog = 1) */

     listen(sock, );

     size = sizeof(remotehost);

     newconn = accept(sock, (struct sockaddr *)&remotehost, (socklen_t *)&size);

     if (newconn >= )

     {

         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, , , TCPIP_THREAD_PRIO+); //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=; 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。

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