基于PXA270嵌入式系统的Socket通信设计

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 [p]
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.* 4000n"）；                           
    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 heren"）；
    printf（"OK-- you have successful created a socket named mysocketn"）；
    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 heren"）；
   // 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!!!!!!!n "，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 heren"）；
    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。 [p]
    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 mysocketn"）；
    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 mysocketn"）；
    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 %dn"，port）；
    listencheck=listen（mysocket，howmany）；
    if（listencheck==-1）
    printf（"error!!! you have failed listen this port，program end heren"）；
    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 heren"）；
    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%sn"，inet_ntoa（addr_remote.sin_addr），port）；
    printf（"OK-- server have successed got connect from clint IP = %s，port = %d，now connecting is running；n"，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................. n"，pid）；
    close（newsocket）；
    printf（"OK-- i am a child procces，i am responsible for this new communicate，blow i will do for connectn"）；
    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 remoten"）；
    close（newsocket）；
    else
    printf（"OK--now you have send %d byte data to remote!!!pleases send again!!!!n"，sendcheck）； [p]
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。