Práctica 1 (Parte 3). Programación con sockets en el ESP32

Objetivos

• Familiarizarse con la API de sockets en ESP-IDF.
• Desarrollar esquemas básicos de sistemas cliente/servidor TCP y UDP utilizando ESP-IDF.
• Diseñar un protocolo de capa de aplicación para simular una aplicación cliente/servidor utilizando TCP y UDP para interactuar entre un host y la placa ESP32

Sistemas cliente/servidor en el ESP32

La razón por la que hemos ejercitado el uso de la API de sockets desde C en Linux es que la implementación de la pila TCP/IP en ESP-IDF (llamada Lightweight TCP/IP (lwIP)) implementa al 100% dicha API. Por tanto, tanto la estructura básica de un firmware que implemente un cliente o servidor como la API utilizada permanece inalterada.

En esta última sección, se pide trabajar con dos ejemplos básicos de implementación de sistemas cliente/servidor UDP y TCP sobre el ESP32, con el objetivo de estudiar su funcionalidad, comprobar su interoperabilidad y realizar modificaciones para adaptarlas a una hipotética aplicación IoT.

Cliente/servidor UDP en el ESP32

En esta parte, trabajarás con dos ejemplos proporcionados dentro de la colección de ejemplos de ESP-IDF. Por tanto, copia en tu espacio de trabajo (fuera del árbol principal de ESP-IDF) los ejemplos:

• Servidor UDP: examples/protocols/sockets/udp_server/
• Cliente UDP: examples/protocols/sockets/udp_client/

Estructura general

Observa sus códigos (udp_server.c para el servidor, y udp_client.c para el cliente). Comprueba que, tanto la estructura básica de ambos componentes como las invocaciones a la API de sockets concuerdan con las que vimos para el sistema echo programado en C.

Acerca de la tarea principal (función app_main) observa que realiza una serie de llamadas a APIs de configuración de algunos subsistemas de FreeRTOS, principalmente:

// Inicializa la partición NVS (Non-volatile storage) por defecto. 
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
// Inicializa la infraestructura ESP-NETIF.
ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
// Crea un bucle de eventos por defecto.
ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());

/* Esta función configura WiFi o Ethernet, tal y como seleccionemos via menuconfig.
*/
ESP_ERROR_CHECK(example_connect());

xTaskCreate(udp_server_task, "udp_server", 4096, NULL, 5, NULL);

• example_connect(), función que no forma parte de ESP-IDF, establece una conexión WiFi o Ethernet. La función es bloqueante, y retorna cuando se ha conseguido establecer una conexión.

• Las características de la conexión WiFi (SSID y contraseña) se deben proporcionar a través de menuconfig.

• El objetivo de ESP-NETIF es proporcionar una capa de abstracción por encima de la pila TCP/IP, de modo que pueda migrarse la pila sin que los códigos del usuario cambien. Puedes consultar su documentación en la página oficial.

• Por último, se crea una tarea que ejecutará la lógica del servidor (lo mismo ocurre en el cliente).

• Observa que, en todo el código, los mensajes de error se anotan utilizando la macro ESP_LOGE y los informativos con ESP_LOGI; intenta seguir este convenio en tus códigos.

Despliegue. Opción 1

En este caso, desplegarás el cliente en un ESP32 y el servidor en otro. Si no dispones de dos ESP32, puedes trabajar con un compañero.

En cualquier caso, ambos ESP32 deben pertenecer a la misma red inalámbrica, por lo que deberán conectarse a un mismo punto de acceso (el profesor te proporcionará los datos, o simplemente puedes utilizar tu punto de acceso doméstico). Configura los siguientes puntos de la infraestructura:

• Configura el SSID y contraseña del punto de acceso vía menuconfig antes de compilar y flashear el código tanto en el cliente como en el servidor.

• En el servidor, configura vía menuconfig el puerto sobre el que escuchará.

• Arranca primero el nodo servidor y apunta la IP proporcionada por el punto de acceso; utilízala en el cliente para configurar la IP destino de la comunicación. No olvides configurar también el puerto destino de acuerdo al configurado en el servidor vía menuconfig.

Ên este punto, podrás arrancar el cliente y deberías estar comunicando dos nodos ESP32 vía UDP.

Despliegue. Opción 2

Si sólo dispones de un nodo, o si simplemente quieres probar otra forma de comunicación en la que uno de los equipos es un PC, puedes utilizar alguna de las herramientas del sistema:

• Para recibir un paquete UDP a través de un puerto (es decir, emular un servidor UDP):

nc -ul -p 3333

• Para enviar un paquete UDP a una IP/puerto remotos (es decir, emular un cliente):

nc -u IP_REMOTA 3333

En el directorio scripts dispones también de pequeños ejemplos de clientes y servidores UDP Python que puedes también utilizar.

Cliente/servidor TCP en el ESP32

El despliegue de cliente y servidor TCP es equivalente al UDP.

• Para recibir un paquete TCP a través de un puerto (es decir, emular un servidor TCP):

nc -l IP -p 3333

• Para enviar un paquete TCP a una IP/puerto remotos (es decir, emular un cliente):

nc IP 3333

En el directorio scripts dispones también de pequeños ejemplos de clientes y servidores TCP Python que puedes también utilizar.