# 联 - 网络框架

多数嵌入式操作系统,应具备传输多种网络协议数据的能力,但是网络协议种类繁多,为每种协议都开放单独的接口,势必会增加操作系统使用者的开发负担,亦不利于嵌入式操作系统的普及与推广。

XiUOS网络框架采用以网络适配器为中心的抽象方式,发送与接收数据时,只需要像Linux socket网络通信一样,仅关注发送与接收的数据,而不用把重点放在所使用的具体协议上。这种抽象方式有效屏蔽了种类繁多的网络协议细节,对外提供统一的网络接口,简化了基于嵌入式操作系统的网络开发。网络框架对各类协议的网络设备进行了抽象:

  • 一个网络协议设备,被抽象为一个xs_Adapter

xs_Adapter可以被设计为采用类似面向对象的方法,针对不同的网络协议,扩展其数据成员与接口,从而为种类繁多的网络协议实现统一的管理架构。在网络应用开发的过程中,只需要使用对应网络协议的xs_Adapter实例,而无需关心网络协议的硬件细节,从而实现了网络数据收发功能与底层硬件的解耦。

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# 1. XiUOS网络框架关键数据结构定义和解析

  • struct xs_Adapter结构
struct xs_Adapter
{
    const char name[XS_NAME_MAX];   /* name of the adapter instance */
    enum xs_AdapterType type;       /* type of adapter, such as lora adapter */
    xs_AdapterInfo info;            /* adapter model info, such as vendor name and model name */
    struct xs_AdapterOps ops;       /* socket-like APIs for data transferring */
    struct xs_AdapterInterface interface;  /* physical interface for transferring data */
    struct XS_DOUBLE_LINKLIST_NODE link;   /* link list node */
};

name成员是一个可读的名字,用于唯一标识一个xs_Adapter结构。type成员表示该xs_Adapter所使用的网络协议,用一个枚举变量表示:

enum xs_AdapterType {
    XS_ADAPTER_LORA = 0,    /* Lora */
    XS_ADAPTER_4G ,         /* 4G */
    /* ...... */
    XS_ADAPTER_WIFI ,       /* Wifi */
};

info成员包含此网络设备的基础信息,如厂家名vendor与型号product_model。

struct xs_AdapterInfo{
    const char *vendor;
    const char *product_model;
};

ops成员包含统一的、类似文件系统的API,用于对网络适配器进行实际的数据读写。在使用一个网络适配器前后需要打开(open)/关闭(close)该网络适配器,send、receive分别用与从网络适配器接收数据与向网络适配器发送数据,ioctl用于配置Adapter属性:

struct xs_AdapterOps {
    int (*open)(struct xs_Adapter *sadapter);
    void (*close)(struct xs_Adapter *sadapter);
    int (*join)(struct xs_Adapter *sadapter,int net_type, int dev_type, int net_number);
    int (*send)(struct xs_Adapter *sadapter, const char* data, int len, int des_dev, int time_out, bool block, int delay);
    int (*receive)(struct xs_Adapter *sadapter, char* rev_buffer, int buffer_len, int time_out, bool block);
    int (*ioctl)(struct xs_Adapter *sadapter, int cmd, void *arg);
};

其中需要注意的是,join接口的所使用的net_type和dev_type参数,分别来自枚举:

enum xs_net_type{
    XS_CENTRALIZATION = 0,
    XS_ADHOC,
};

enum xs_dev_type{
    XS_CLIENT = 0,
    XS_GATEWAY,
};

net_type代表的含义是,使用传统的中心化网络或者自组网络。dev_type代表的含义是,此设备是普通设备或者网关设备。

最后,在系统中每种网络协议的xs_Adapter被分别组织成不同双链表,如Lora的xs_Adapter链表、4G的xs_Adapter链表等,使用的链表节点即为link成员。

# 2. XiUOS网络框架驱动开发

以Lora网络适配器为例。网络框架针对每个具体的网络适配器将xs_Adapter进行扩充,采用类似面向对象的手段添加其他必要成员,如:

struct xs_AdapterLora {
    struct xs_Adapter parent; /* inherit from xs_Adapter */
    const char *deve_ui;      /* Lora specific value */
    const char *app_key;      /* Lora specific value */
};

实现xs_AdapterOps中的数据通信API,具体实现细节取决于所使用网络协议,无法实现的API可以置为NULL:

struct xs_AdapterOps lora_example_ops = {
    .open = lora_example_open;
    .close = lora_example_close;
    .send = lora_example_send;
    .receive = NULL;
    .ioctl = lora_example_ioctl;
};

填充xs_AdapterLora,并将其注册。

int xs_AdapterRegister(struct xs_Adapter *sadapter);

extern struct xs_AdapterOps lora_example_ops;
/* declare xs_AdapterLora */
struct xs_AdapterLora lora_example_adapter;

void register_lora_adapter()
{
    /* initialize and register the xs_Adapter object */
    memset(&lora_example_adapter, 0, sizeof(lora_example_adapter));
    lora_example_adapter.parent.name = "adapter1";
    lora_example_adapter.parent.type = XS_ADAPTER_LORA;
    lora_example_adapter.parent.info.vendor = "xxx";
    lora_example_adapter.parent.info.product_model = "yyy";
    lora_example_adapter.parent.ops = &lora_example_ops;
    lora_example_adapter.parent.interface.bus_device = xs_DeviceFind("uart1");
    lora_example_adapter.deve_ui = "mmm";
    lora_example_adapter.app_key = "nnn";
    xs_AdapterRegister(&lora_example_adapter);
}

# 3. XiUOS网络框架的使用实例

网络应用开发者使用网络框架提供的API操作网络适配器,网络适配器API可以分为通用API与协议特有API。通用API用于网络适配器的获取、打开与关闭,协议特有API用于特定协议的数据采样。以Lora网络适配器为例:

/* generic API: find a adapter instance by its name */
struct xs_Adapter *xs_AdapterFind(const char *name);

/* generic API: open/close a adapter instance */
int xs_AdapterOpen(struct xs_Adapter *adapter);
void xs_AdapterClose(struct xs_Adapter *adapter);
/* Lora API: get current Lora adapter reading */
uint32_t xs_AdapterReceive(struct xs_Adapter *adapter, char* rev_buffer, int buffer_len,int time_out, bool block);

在获取数据前,需要先获取并打开要使用的网络适配器;网络适配器打开后可以随时对网络适配器数据进行读取;使用完毕后,须关闭网络适配器。完整的使用过程示例如下:

#define BUFFER_MAX 512
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret;
    char rev_buffer[BUFFER_MAX];

    struct xs_Adapter *adapter;
    struct xs_AdapterLora *lora_adapter;

    /* get the Lora adapter instance */
    adapter = xs_AdapterFind("lora_1");
    XS_ASSERT(adapter->type == XS_ADAPTER_LORA);
    /* open the Lora adapter instance */
    lora_adapter = (struct xs_AdapterLora *)adapter;
    ret = xs_AdapterOpen(adapter);
    XS_ASSERT(ret == XS_EOK);
  
    xs_AdapterReceive(adapter, rev_buffer, BUFFER_MAX, 0, true);
    xs_kprintf("Data read from lora_adapter is %s \n", rev_buffer);
    xs_AdapterClose(adapter);
    return 0;
}

# 4. XiUOS自组网功能简介

传统的数据收集与上报系统架构,一般采用星型拓扑的组织形式,以网关为中心,将数据收集设备(传感器)连接组织起来,传感器之间一般没有大规模的数据流动。而这种中心化的网络架构,有其自身的缺点,如中心节点的数据压力经常逼近极限,成为整个系统的性能瓶颈,或者一旦程序崩溃,即造成其承载的所有传感器发生掉线事故。 所以我们在提供中心化网络服务的同时,也提供了去中心化的自组网络服务,自组网结构一般具有以下优点:

1、动态接入
传统的中心节点型网络,需要网关手动配置想要连接的传感器,然后对区域进行轮询扫描,传感器则在被轮询到时,被动地上报自己的数据。而自组网新节点需接入时,可实现主动接入,无需对网关进行手动配置,节省运维成本。
2、去中心化
自组网内无中心节点,节点之间可进行自主路由协商,以此来实现跳转通信,相比传统中心化网络,有效分摊网络流量,进而分散节点运算压力。自组网具有良好的健壮性,任何一个节点发生崩溃,其所承载的传感器会自动寻找其他上传节点,不会造成大面积的掉线事故。
3、不依赖现有网络
节点之间通信,不依赖现有的网络基础设施,自组网内部实现网络自治,以此应对通信地点和时间的不确定性。

Last Updated: 12/8/2020, 10:42:34 AM