Características de un lenguaje ideal para robótica

Transcripción

1 COMUNICACIÓN MEDIANTE SOCKETS Enrique Ortega Edrodoso Ingeniería Técnica de Informática de Gestión Introducción Los vehículos autoguiados comerciales disponibles en la actualidad tienen una serie de inconvenientes que limitan su empleo en investigación. Entre estas cabe destacar su elevado precio, arquitectura cerrada, falta de documentación y difícil escalabilidad, tanto en hardware como en software. Utilizar una arquitectura basada en PC tiene enormes ventajas: precio, potencia, compatibilidad, escalabilidad, disponibilidad de software y hardware. El empleo de Linux y de su extensión de tiempo real RT-Linux facilitara enormemente la realización de proyectos. La interfaz de sockets facilita la comunicación entre procesos, programando dicha comunicación de manera similar a como se maneja cualquier dispositivo de entrada salida, ya que independiza la localizacion de los procesos. Programación usada en robótica La existencia de los robots que realicen autónomamente tareas de modo eficiente depende fundamentalmente de su construcción mecánica y de su programación. Una vez construido el cuerpo mecánico del robot, conseguir que realice una tarea se convierte en la práctica en un problema de programación. La generación de comportamiento en un robot consiste entonces en escribir el programa que al ejecutarse en el robot causa ese comportamiento cuando este se encuentra en cierto entorno. La autonomía y la inteligencia residen en ese programa. La programación que se emplea en robótica tiene caracteres diferentes: explicito, en el que el operador es el responsable de las acciones de control y de las instrucciones adecuadas que las implementan, o estar basada en la modelación del mundo exterior, cuando se describe la tarea y el entorno el propio sistema toma las decisiones. Los lenguajes de comunicación de alto nivel, suministran una solución general en la comunicación hombre-robot. Los lenguajes clásicos (BASIC, FORTRAN, PASCAL) no disponen de los comandos e instrucciones específicas que se necesitan para la programación en la robótica. Por lo que en estos momentos no existe ningún lenguaje universal. Características de un lenguaje ideal para robótica Las seis características básicas de un lenguaje ideal, expuestas por Pratt, son: 1. claridad y sencillez claridad de la estructura del programa 3. sencillez de la aplicación

2 4. facilidad de ampliación 5. facilidad de corrección y mantenimiento. 6. eficacia. Comunicación mediante sockets tipo stream El uso de TCP/IP independiza al robot del sistema operativo que se ejecute en los ordenadores host. La aplicación cliente permite al usuario introducir los comandos que controlan el robot. Estos pueden ser de tres tipos: 1. movimiento, 2. definición de estado, 3. consulta de estado. La aplicación cliente controla la sintaxis de los comandos introducidos, construye un mensaje apropiado para el servidor, y comunica el mensaje al servidor mediante el empleo de Sockets. Por su parte, la aplicación servidor está permanentemente esperando conexiones por parte de aplicaciones cliente. Una vez establecida una conexión, el servidor hace de intermediario intercambiando mensajes entre la aplicación cliente y el módulo de tiempo real que ejecuta las tareas de control. Qué es un socket? Es una interfaz de entrada-salida de datos que permite la intercomunicación entre procesos. Los procesos pueden estar ejecutándose en el mismo o en distintos sistemas, unidos mediante una red. La analogía con los teléfonos. Los sockets permiten la comunicación entre procesos, como los teléfonos permiten la comunicación entre las personas. Dominios de comunicación. Los sockets se crean dentro de un dominio de comunicación, igual que un archivo se crea dentro de un filesystem. El dominio de comunicación nos dice donde se encuentran los procesos que se van a intercomunicar. Si los procesos están en el mismo sistema, el dominio de comunicación será AF_UNIX, si los procesos están en distintos sistemas y estos se hallan unidos mediante una red TCP/IP, el dominio de comunicación será AF_INET. Cabe aclarar que existen otros dominios de comunicación.

3 Los sockets no se han diseñado solamente para TCP/IP. La idea original fue que se usase la misma interfaz también para distintas familias de protocolos. En esta introducción solo trataremos el dominio AF_INET. Algunos dominios: AF_INET (unidos mediante una red TCP/IP). AF_UNIX (en el mismo sistema). Otros dominios. Tipos de sockets en el dominio AF_INET. Sockets Stream. Sockets Datagram. Sockets Raw. Figura 1-1 Sockets Stream son los más utilizados, hacen uso del protocolo TCP (figura 1-1), el cual nos provee un flujo de datos vi direccional, secuenciado, sin duplicación de paquetes y libre de errores. La especificación del protocolo TCP se puede leer en la RFC-793. Sockets Datagram hacen uso del protocolo UDP, el cual nos provee un flujo de datos bidireccional, pero los paquetes pueden llegar fuera de secuencia, pueden no llegar o contener errores. Por lo tanto el proceso que recibe los datos debe realizar resecuencimiento, eliminar duplicados y asegurar la confiabilidad. Se llaman también sockets sin conexión, porque no hay que mantener una conexión activa, como en el caso de sockets stream. Son utilizados para transferencia de información paquete por paquete. Ejemplo: dns, tftp, bootp, etc. Entones podríamos preguntar, Cómo hacen estos programas para funcionar si pueden perder datos?

4 Ellos implementan un protocolo encima de UDP que realiza control de errores. La especificación del protocolo UDP se puede leer en la RFC-768. Sockets raw no son para el usuario más común, son provistos principalmente para aquellos interesados en desarrollar nuevos protocolos de comunicación o para hacer uso de facilidades ocultas de un protocolo existente. PARA TENER EN CUETA Byte order. Network byte order y Host byte order son dos formas en las que el sistema puede almacenar los datos en memoria. Está relacionado con el orden en que se almacenan los bytes en la memoria RAM. Si al almacenar un short int (2 bytes) o un long int (4 bytes) en RAM, en la posición más alta se almacena el byte menos significativo, entonces está en network byte order, caso contrario es host byte order ( figura 2-1). Network byte order. Host byte order. short int. short int. byte mas significativo byte menos significativo byte mas significativo byte menos significativo Dirección n n+1 Dirección n+1 n long int. long int. byte mas byte menos sig nificativo significativo Dirección n n+1 n+2 n+3 byte mas byte menos significativo significativo Dirección n+3 n+2 n+1 n Figura 2-1. Esto depende del microprocesador que se esté utilizando, podríamos estar programando en un sistema host byte order o network byte order, pero cuando enviamos los datos por la red deben ir en un orden especificado, sino enviaríamos todos los datos al revés. Lo mismo sucede cuando recibimos datos de la red, debemos ordenarlos al orden que utiliza nuestro sistema. Debemos cumplir las siguientes reglas: Todos los bytes que se transmiten hacia la red, sean números IP o datos, deben estar en network byte order. Todos los datos que se reciben de la red, deben convertirse a host byte order.

5 Creación de un socket. Analogía: Para que una persona pueda recibir llamadas debe tener instalado un teléfono, para poder realizar una conexión se debe crear un socket. Los sockets se crean llamando a la función socket(), esta función retorna un descriptor de socket, que es tipo int. Si hubo algún error, socket() retorna -1 y la variable global errno se establece con un valor que indica el error que se produjo sockfd dominio tipo protocolo Es el descriptor de socket devuelto. Luego se utilizará para conectarse, recibir conexiones, enviar y recibir datos, etc. Dominio donde se realiza la conexión. Para este tutor siempre será AF_INET. Podrá ser SOCK_STREAM o SOCK_DGRAM o SOCK_RAW. 0 (cero, selecciona el protocolo más apropiado). Selección del protocolo: Se puede especificar el número de protocolo o también seleccionar el protocolo por su nombre utilizando la función getprotobyname(), que retorna una estructura tipo protent con los siguientes datos: char *p_name; /* Nombre oficial del protocolo */ char **p_aliases; /* lista de alias. */ int p_proto; /* número de protocolo */ Esta función lee el archivo /etc/protocols para completar la estructura. Errores en la creación:

6 Los errores más comunes son : El protocolo especificado no está soportado dentro del dominio. Permiso negado para crear el socket del tipo y/o protocolo especificado. Etc. Función Bind() Analogía: Para poder recibir llamadas, se debe tener un número telefónico, para poder recibir conexiones, se le debe asignar un nombre al socket. El socket se crea sin nombre, debemos asignarle uno para poder recibir conexiones. Bind () se utiliza para darle un nombre al socket, o sea una dirección IP y número de puerto del host local por donde escuchará, al especificar una IP del host local le estamos diciendo por cual interfaz física escuchará (el sistema puede tener varias interfaces ethernet, ppp, etc). Es necesario llamar a bind() cuando se está programando un servidor. Cuando se está programando un cliente generalmente no se utiliza esta función, el kernel le asignará al socket la dirección IP y número de puerto disponible al llamar a ciertas funciones, por ejemplo cuando llamamos a connect() para conectarnos con un sistema remoto. En el servidor es necesario llamar a bind() debido a que el número de puerto debe ser conocido para que los clientes puedan conectarse. Por ejemplo si estamos programando un servidor de telnet debemos llamar a bind() para asignarle al socket el puerto 23. En la aplicación cliente se puede llamar a bind() y asignarle un número de puerto, pero no es necesario porque nadie va a tratar ni podrá conectarse con él. sockfd : my_addr : addrlen : Es el descriptor de socket devuelto por la función socket(). Es un puntero a una estructura sockaddr que contiene la IP del host local y el número de puerto que se va a asignar al socket. (Más abajo se detalla). Debe ser establecido al tamaño de la estructura sockaddr. sizeof(struct sockaddr).

7 Estructuras. Almacenan el nombre del socket. Se utilizan con la función bind(). struct sockaddr unsigned short sa_family; // AF_* char sa_data[14]; // Direccion de protocolo. ; struct sockaddr_in short int sin_family; // AF_INET unsigned short sin_port; // Numero de puerto. struct in_addr sin_addr; // Dirección IP. unsigned char sin_zero[8]; // Relleno. ; struct in_addr unsigned long s_addr; // 4 bytes. ; La primer estructura, sockaddr, almacena la dirección de protocolo para muchos tipos de protocolos. Sa_family puede ser AF_INET, AF_UNIX u otros dominios, para este trabajo solo será AF_INET. Sa_data contiene la dirección IP y número de puerto asignado al socket. Se creó la estructura sockaddr_in para el caso de Internet, para poder referenciar los elementos de forma más fácil. Los punteros a la estructura sockaddr_in deben ser precedidos con un cast tipo *struct sockaddr antes de pasarlos como parámetros a funciones. Notas sobre sockaddr_in: sin_family será AF_INET sin_port (número de puerto) y sin_addr (dirección IP) deberán estar en network byte order, o sea habrá que usar htons(). sin_family no debe convertirse a network byte order porque es solo usado por el kernel y no es enviado por la red. sin_zero se utiliza para rellenar la estructura a la longitud de sockaddr, debe estar inicializada a cero con la función bzero(). Ver la página del manual

8 Otras funciones utilizadas. inet_addr() Convierte una dirección IP en notación números y puntos, en un unsigned long, retorna la dirección en network byte order. Retorna -1 si hubo error. Ejemplo: struct sockaddr_in ina;... ina.sin_addr.s_addr=inet_addr(" "); inet_ntoa() Realiza la conversión inversa, convierte una dirección IP en unsigned long en network byte order, a un string en números y puntos. Ejemplo: printf("%s", inet_ntoa(ina.sin_addr)); inet_ntoa() retorna un puntero a un array de caracteres, que se encuentra almacenado estáticamente dentro de inet_ntoa(). Cada vez que se llama a inet_ntoa() se sobrescribe la última dirección IP. Ejemplo: char *addr1, *addr2; addr1=inet_ntoa(ina1.sin_addr) /* Supongamos que vale */ addr2=inet_ntoa(ina2.sin_addr) /* Supongamos que vale */ printf("dirección 1: \n", addr1); printf("dirección 2: \n", addr2); Esto imprimirá: dirección 1: dirección 2: Se ve que la primer dirección IP es sobrescrita en la segunda llamada a inet_ntoa() y se pierde su valor. Para que esto no suceda, luego de la primera llamada a inet_ntoa() se debe usar strcpy() para guardar la primera dirección IP y luego llamar por segunda vez a inet_ntoa(), de esta manera no se pierde la primera dirección IP. Asignación de valores a una variable tipo sockaddr_in Debemos asignarle valores a una variable tipo sockaddr_in antes de llamar a las función bind(). Veamos un ejemplo:..... struct sockaddr_in my_addr;... my_addr.sin_family = AF_INET; my_addr.sin port = htons ( 3490 ); // Numero de puerto por donde escuchara el servidor. my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr (" "); // IP de la interface por donde escuchara el servidor. bzero ( &(my_addr.sin_zero), 8); // Relleno con ceros.

9 Notas : Si asignamos el valor cero a sin_port, el sistema nos dará automáticamente un puerto disponible. my_addr.sin_port=0; Podemos automatizar la asignación de la IP, si ponemos el valor INADDR_ANY a s_addr, el sistema le asignará la dirección IP local. Recordar que el programa puede ejecutarse en distintas PC's con distintas IP's my_addr.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY); Las variables my_addr.sin_port y my_addr.sin_addr.s_addr deben estar en network byte order, son valores que viajan por la red, pero my_addr.sin_family no porque solo es utilizado por el kernel para saber que tipo de dirección contiene la estructura. Pasos para establecer la conexión. Caso sockets stream. En la figura 3.1 se visualiza los pasos para realizar una conexión mediante sockets stream. Primero haremos una descripción funcional, para luego poder realizar un estudio más detallado de cada función utilizada. Ambos, cliente y servidor, deben crean un socket mediante la función socket(), para poder comunicarse.

10 El servidor llama a bind() para darle un nombre al socket, para luego poder recibir conexiones, es decir establece por cual número de puerto escuchará. Por ejemplo si este sería un servidor de telnet, establecería el puerto 23. Para el cliente no es necesario establecer el número de puerto, porque no recibirá intentos de conexión, sólo intentará conectarse con el servidor. El servidor habilita su socket para poder recibir conexiones, llamando a la función listen(). El cliente no necesita realizar este paso porque no va a recibir conexiones, solo intentará conectarse con el servidor. El servidor ejecuta la función accept() y queda en estado de espera, la función accept() no retorna hasta que intenten conectarse. El cliente usa la función connect() para realizar el intento de conexión, en ese momento la función accept() del servidor retorna con un parámetro que es un nuevo descriptor de socket, el cual se utiliza para realizar la transferencia de datos por la red con el cliente. Una vez establecida la conexión se utilizan las funciones send() y recv() con el descriptor de socket del paso anterior para realizar la transferencia de datos. Para finalizar la conexión se utilizan las funciones close() o shutdown().

11 Ejemplo cliente-servidor TCP simple Luego del accept() el servidor queda en estado de espera hasta que el cliente intente conectarse. El cliente trata de conectarse con connect() y accept() retorna con un nuevo descriptor de socket, el cual es utilizado por el server para realizar la transferencia de datos con el cliente. Mientras está realizando transferencia de datos con un cliente, los intentos de conexión de otros clientes son almacenados en una cola de conexiones, que luego serán atendidos. Los clientes se atienden de a uno por vez en este tipo de aplicación cliente-servidor.

12 Código fuente de ejemplo Cliente. /*CLIENTE*/ #include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <strings.h> #include <string.h> #include <ctype.h> #include <netdb.h> #include <time.h> #define MAX 5 #define TAMBUFFER 512 #define PUERTO 4949 main (int argc, char *argv[]) /* argc, almacena el número de argumentos que se le pasan al programa, argv[] almacena los argumentos*/ char opcion= 0 ; char cadena[max]; int idsocket,tammandado; struct sockaddr_in infoservidor;// datossocket; struct hostent *he; /*Creamos el socket*/ printf(" Programa del cliente \n"); if (argc!=2) /* Nuestro programa cliente sólo necesita un argumento, que es la IP*/ printf("error, debe de escribrir: %s <Dirección IP>\n",argv[0]); exit(-1); /*Si argv[1] es una dirección IP, gethostbyname() simplemente copia argv[1] en el campo he */ printf ("%s \n",argv[1]);

13 if ((he=gethostbyname(argv[1]))==null) printf("error en la IP\n"); exit(-1); idsocket=socket(af_inet,sock_stream,0); if (idsocket==-1) printf("error: El socket no se ha abierto\n"); else printf("socket creado\n"); //Se prepara el nombre de la maquina remota infoservidor.sin_family=af_inet; infoservidor.sin_addr/*.s_addr*/=*((struct in_addr *)he->h_addr); inet_addr(" "); /* es necesario comentar esta linea cuando queremos que el cliente y el servidor no sean la misma maquina*/ printf ("%s\n",inet_ntoa(*((struct in_addr *)he->h_addr))); infoservidor.sin_port=htons(puerto);//ordenacion estandar de bytes //Establece la conexión con el servidor int f=connect(idsocket, (struct sockaddr*) &infoservidor, sizeof(infoservidor)); printf ("Conectando\n"); if (f==-1) printf("error de conexion\n"); Else //TODO VA BIEN //********************************************************************* //*************IMPLEMENTAR CODIGO AQUI*************************** printf("cerrando el socket\n"); close(idsocket);

14 Servidor. /*SERVIDOR*/ #include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/types.h> #include <netinet/in.h> #include <strings.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> #define MAXIMOCONEXIONES 1 //numero maximo de conexiones en espera #define PUERTO 4949 #define TAMBUFFER 512 main () int idsocket,s_aux; int asignadir,tamdir,tamrecibido; struct sockaddr_in datossocket,infocliente; char buf[tambuffer]; /*Creamos el socket*/ printf(" Programa del servidor \n"); idsocket=socket(af_inet,sock_stream,0); if (idsocket==-1) printf("error: El socket no se ha abierto\n"); else datossocket.sin_family=af_inet; datossocket.sin_addr.s_addr=inaddr_any; //INADDR_ANY coloca la del cliente IP automaticamente. inet_addr(" ");//comentar cuando se utilicen varios equipos. datossocket.sin_port=htons(puerto); bzero(&(datossocket.sin_zero),8);/*rellena a 0 este capo se la estructura*/ printf("socket creado\n"); //Asigar un nombre local al socket if ((bind(idsocket,(struct sockaddr*)&datossocket,sizeof(datossocket))<0) (listen(idsocket,maximoconexiones)<0))

15 else printf("error al nombrar el socket o servidor no a la escucha\n"); printf("servidor activo escuchando \n"); while (1) s_aux=accept(idsocket,(struct sockaddr*) &infocliente, &tamdir); printf("se obtuvo una conexión desde %s\n",inet_ntoa(infocliente.sin_addr) ); tamrecibido= recv(s_aux, buf,1, 0); buf[tamrecibido]='\0'; if (tamrecibido==-1) printf("error al recibir\n"); else//todo VA BIEN //*************************************************************** //********************IMPLEMENTAR CODIGO AQUI********************* printf(" Programa del servidor \n"); //else //main Con este codigo de ejemplo se puede establecer una comunicacio cliente servidor entre el robot (cliente) y el servidor (ordenador, portátil o similar).

16 Conclusiones La arquitectura basada en PC trae una serie de ventajas como el bajo precio, facililidad de ampliación, tanto en hardware como de software, versatilidad por la gran cantidad de software disponible y potencia en cuanto a capacidad de cálculo. Además, el hardware nunca se queda obsoleto, puesto que su substitución por otro de la siguiente generación es inmediata, guardando la compatibilidad con el software anterior. La elección del Linux junto con su extensión de tiempo real RT-Linux. Nos proveen de herramientas de desarrollo muy potentes como el entorno gnu wpe (Windows Programming Environment), o el compilador de c gnu, todo ello sin coste. Todo ello nos da robustez en la práctica, el sistema aprovecha los recursos de la máquina al máximo, de manera que se podra utilizar como computador de a bordo una máquina 486 o similares, sin prejuicio en tiempo de ejecución ni en tiempo de desarrollo (varios usuarios en paralelo sobre esta máquina). La totalidad del software utilizado es de dominio público, con lo que las fuentes han sido accesibles en todo momento. Esto ha permite una comprensión en profundidad del sistema de tiempo real y abre nuevas posibilidades de ampliación futuras (uso de otros planificadores, desarrollo de drivers en la parte de tiempo real, etc.), impensables en vehículos comerciales. Bibliografía Memoria personal sobre una practica desarrollada en la carrera de Ingeniería Técnica de Informática de Gestión. Fragmentos de un tutorial extraído de : así como de diversos manuales de la red