實驗: 取得 RSSI 並回傳至伺服器
利用 Socket 的架構，即時的取得 RSSI 資訊，並回傳至後端伺服器
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利用 Socket 的架構，即時的取得 RSSI 資訊，並回傳至後端伺服器
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本實驗中的程式以及說明由蔡東倫先生所準備，作者只做些微修改與補充。
本實驗的目標為取得監聽的 RSSI 資訊並回傳至後端的伺服器。一開始我們有一個 WiFi 裝置透過OpenWRT WiFi AP 進行資料傳輸，此 OpenWRT WiFi AP 以建立兩張網卡，分別處於 master 模式以及 monitor 模式，因此可以一邊幫該使用者轉傳封包，一邊記錄下 RSSI 資訊，並送到後端的伺服器。
伺服器和 WiFi AP 的資料傳輸使用 socket 模式，換言之，伺服器為 socket server，而 WiFi AP 為 socket client，兩者透過 polling 的方式將資料回傳。
甚麼是 socket?
簡單來說，socket 是一種透過網路傳輸資料的方式，透過指定的 IP 和 port，就可以進行通訊。在此架構下，socket client 會傳送連線需求至 socket server 的 IP 與指定的 port，socket server 會持續的監聽該 port 的連線需求，若有 client 的連線需求，則建立連線，並開始資料雙向交換。事實上，socket 有分成許多不同的類別，若有興趣，可以閱讀:
pipe 函式簡介
如果我們除了想在 C 程式執行指令之外，也想要透過標準輸入與輸出與指令互動的話，pipe 函式比起 system 函式更加適於這種情境。在 Linux 系統中，為了使用將多個程式組合在一起，會在程式之間建立單向串列管道 (pipe)，使得某一程式的輸出做為另一程式的輸入。在 Linux console 中，使用符號 “|” 即可建立 pipe，對於要處理大量序列的程式 (如:grep) 這是一種常見的作法。
在 C 語言中，利用popen()可以做到相同事情。在popen()中第一個輸入為要執行的程式或指令，第二個輸入 pipe 為讀取 (“r”) 或寫入 (“w”)，其回傳值為檔案指標。只要在方向正確的情形下，可以用舊有的檔案處理函式 (fprintf、fscanf) 去讀寫這個 pipe。若要關閉 pipe 則用 pclose() 函式。使用此函式請記得引入 "unistd.h"。在許多情況下，pipe 會比 system 方便。以下是程式範例:
FILE *fp;
char buffer[1000];
fp = popen(“ifconfig”, "r");
fgets(buffer, sizeof(buffer), fp);
printf(“%s”, buffer);
pclose(fp);
以下附的是參考程式碼，由於使用了 thread 因此用 gcc 編譯時需加上 -lpthread，才能編譯成功。在此程式中使用了兩個 thread:
sensing_func(): 負責讀取 pipe、取出對應的 RSSI、計算 RSSI 平均值。
report_func(): 當 socket server polling 時回報所得到的 RSSI 資訊。
為了避免兩者同時存取共用記憶體，在 critical section 使用了 mutex ，避免對 RSSI 數值同時存取，造成錯誤。以下是所撰寫的程式 (RSSI_client.c):
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/socket.h"
#include "netinet/in.h"
#include "netdb.h"
#include "signal.h"
#define MAX_USER_NUM 200
#define ReconnectionDelayTime 2
#define WLAN "wlan0"
char* server_ip;
int server_port;
void *sensing_func(void *parm);
void *report_func(void *parm);
char* get_interface_MAC_string();
char* search_pattern_following(char* str1, char* str2);
static pthread_t sensing_thread;
static pthread_t report_thread;
static pthread_mutex_t sensing_report_mutex;
static int sensing_socket;
static int construct_link(char ip[], int port);
void disconnection(int sig);
struct sensing_result
{
char src_mac[100];
float rssi_mean;
float rssi_variance;
int sample_num;
};
static struct sensing_result sensing_result[100];
static int sensing_result_num=0;
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc<3)
{
printf("argument: [Server IP] [Server Port]\n");
return;
}
else
{
server_ip = argv[1];
server_port = atoi(argv[2]);
}
(void)signal(SIGINT, disconnection);
pthread_mutex_init(&sensing_report_mutex, NULL);
pthread_mutex_lock(&sensing_report_mutex);
pthread_create(&sensing_thread, NULL, sensing_func, NULL);
pthread_create(&report_thread, NULL, report_func, NULL);
pthread_mutex_unlock(&sensing_report_mutex);
while(1);
return 0;
}
#define TCPDUMP_CMD "tcpdump -ne -y ieee802_11_radio -s 65535 -i wlan1-2 |grep \"signal\" | grep \"SA\\|TA\" |grep \"dBm\""
void *sensing_func(void *parm)
{
FILE *fp;
char sensing_dump[1000];
char src_mac[100];
float rssi;
float old_rssi_mean;
float new_rssi_mean;
float old_rssi_variance;
float new_rssi_variance;
int i;
if( (fp = popen(TCPDUMP_CMD, "r"))== NULL)
{
printf("popen() error!\n");
exit(1);
}
while(fgets(sensing_dump, sizeof(sensing_dump), fp))
{
sscanf(strstr(sensing_dump, "dBm ")-4, "%fdB", &rssi);
memset(src_mac, 0, sizeof(src_mac));
if(strstr(sensing_dump, "SA:")!=NULL)
{
sscanf(strstr(sensing_dump, "SA:")+3, "%s", src_mac);
}
else if(strstr(sensing_dump, "TA:")!=NULL)
{
sscanf(strstr(sensing_dump, "TA:")+3, "%s", src_mac);
}
else
{
printf("ERROR: SA and TA are not found\n");
}
for(i=0;i<strlen(src_mac);i++) if(islower(src_mac[i]))
{
src_mac[i]=toupper(src_mac[i]);
}
pthread_mutex_lock(&sensing_report_mutex);
//search old item
for(i=0;i<sensing_result_num;i++)
{
if(strcmp(sensing_result[i].src_mac, src_mac)==0)
{
//policy 1: keep the latest RSSI sample for all devices
new_rssi_mean = rssi;
new_rssi_variance = 0;
sensing_result[i].rssi_mean=new_rssi_mean;
sensing_result[i].rssi_variance=new_rssi_variance;
sensing_result[i].sample_num=1;
break;
}
}
//create new item if necessary
if(i==sensing_result_num)
{
memcpy(sensing_result[i].src_mac, src_mac, strlen(src_mac));
sensing_result[i].rssi_mean=rssi;
sensing_result[i].rssi_variance=0.0;
sensing_result[i].sample_num=1;
sensing_result_num++;
}
pthread_mutex_unlock(&sensing_report_mutex);
}
pclose(fp);
return;
}
void *report_func(void *parm)
{
int i;
char sensing_report[100];
char rcv_buf[100];
start:
sensing_socket = construct_link(server_ip, server_port);
while(1)
{
//format: [round] [observer MAC] [target MAC] [RSSI]
memset(rcv_buf, 0, sizeof(rcv_buf));
while(read(sensing_socket, rcv_buf, sizeof(rcv_buf))==0); //wait for polling
printf("%s is received\n", rcv_buf);
pthread_mutex_lock(&sensing_report_mutex);
for(i=0;i<sensing_result_num;i++)
{
printf("sensing_result[%d].src_mac=%s\n", i, sensing_result[i].src_mac);
if(1)
{
memset(sensing_report, 0, sizeof(sensing_report));
sprintf(sensing_report, "%s %s %s %f\n",
rcv_buf,
get_interface_MAC_string(),
sensing_result[i].src_mac,
sensing_result[i].rssi_mean);
printf("%s is sent\n", sensing_report);
if(write(sensing_socket, sensing_report, strlen(sensing_report))<=0)
{
printf("%s:socket write error\n", __FUNCTION__);
goto start;
}
}
}
memset(sensing_result, 0, sizeof(sensing_result));
sensing_result_num=0;
pthread_mutex_unlock(&sensing_report_mutex);
printf("\n");
}
}
void disconnection(int sig)
{
close(sensing_socket);
(void)signal(SIGINT, SIG_DFL);
}
static int construct_link(char ip[], int port)
{
int client_fd = -1;
struct hostent *host;
struct sockaddr_in client_sin;
while(client_fd <= 0)
{
if((host = gethostbyname(ip)) == NULL)
{
fprintf(stderr, "Can't get ip !!!\n");
return -1;
}
client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&client_sin, sizeof(client_sin));
client_sin.sin_family = AF_INET;
client_sin.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);
client_sin.sin_port = htons(port);
if(connect(client_fd, (struct sockaddr *)&client_sin, sizeof(client_sin)) == -1)
{
fprintf(stderr, "Can't connect to server \n");
fprintf(stdout, "Reconstruct link after 2 seconds \n");
client_fd = -1;
sleep(ReconnectionDelayTime);
}
}
return client_fd;
}
char* get_interface_MAC_string()
{
FILE *fp;
char cmd[100];
static char ret[50];
char line_buf[100];
char *cursor;
int mac[6];
memset(ret, 0, sizeof(ret));
sprintf(ret, "-1");
memset(cmd, 0, sizeof(cmd));
sprintf(cmd, "ifconfig %s", WLAN);
if((fp=popen(cmd, "r"))!=NULL)
{
while(!feof(fp))
{
memset(line_buf, 0, sizeof(line_buf));
fgets(line_buf, sizeof(line_buf), fp);
if( (cursor=search_pattern_following(line_buf, "HWaddr ")) != NULL )
{
sscanf(cursor, "%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X",
&mac[0], &mac[1], &mac[2],
&mac[3], &mac[4], &mac[5] );
memset(ret, 0, sizeof(ret));
sprintf(ret, "%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X",
mac[0], mac[1], mac[2],
mac[3], mac[4], mac[5] );
break;
}
}
pclose(fp);
}
else
{
printf("%s:Fail to open the file\n", __FUNCTION__);
}
return ret;
}
char* search_pattern_following(char* str1, char* str2)
{
char* ret;
if( (ret=strstr(str1, str2)) != NULL ) ret+=strlen(str2);
return ret;
}編譯時指令為:
mips-openwrt-linux-gcc RSSI_client.c --static -lpthread -o RSSI_client會出現許多警告，如下所示，不過不影響使用:
ofwrt@ofwrt-18:~/ofwrt_code$ mips-openwrt-linux-gcc RSSI_client.c --static -lpthread -o RSSI_client
RSSI_client_smartAnt.c: In function 'main':
RSSI_client_smartAnt.c:48:3: warning: 'return' with no value, in function returning non-void
return;
^~~~~~
RSSI_client_smartAnt.c:43:5: note: declared here
int main(int argc, char *argv[])
^~~~
RSSI_client_smartAnt.c:57:2: warning: implicit declaration of function 'pthread_mutex_init'; did you mean 'pthread_kill'? [-Wimplicit-function-declaration]
pthread_mutex_init(&sensing_report_mutex, NULL);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
pthread_kill
RSSI_client_smartAnt.c:58:2: warning: implicit declaration of function 'pthread_mutex_lock'; did you mean 'pthread_kill'? [-Wimplicit-function-declaration]
pthread_mutex_lock(&sensing_report_mutex);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~
pthread_kill
RSSI_client_smartAnt.c:60:2: warning: implicit declaration of function 'pthread_create'; did you mean 'pthread_kill'? [-Wimplicit-function-declaration]
pthread_create(&sensing_thread, NULL, sensing_func, NULL);
^~~~~~~~~~~~~~
pthread_kill
RSSI_client_smartAnt.c:63:2: warning: implicit declaration of function 'pthread_mutex_unlock' [-Wimplicit-function-declaration]
pthread_mutex_unlock(&sensing_report_mutex);
^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
RSSI_client_smartAnt.c: In function 'sensing_func':
RSSI_client_smartAnt.c:108:37: warning: implicit declaration of function 'islower' [-Wimplicit-function-declaration]
for(i=0;i<strlen(src_mac);i++) if(islower(src_mac[i]))
^~~~~~~
RSSI_client_smartAnt.c:110:15: warning: implicit declaration of function 'toupper' [-Wimplicit-function-declaration]
src_mac[i]=toupper(src_mac[i]);
^~~~~~~
RSSI_client_smartAnt.c:167:2: warning: 'return' with no value, in function returning non-void
return;
^~~~~~
RSSI_client_smartAnt.c:72:7: note: declared here
void *sensing_func(void *parm)
^~~~~~~~~~~~client 程式為執行在OpenWRT上的 C 程式，執行時需附上 server IP 與 port，即 ./{client程式名} {server IP} {server port}。另外，在使用 CRTL+C 中止程式時，請用指令 ps 確認是否所有執行緒皆已中止，並用指令 kill 中止殘留多餘執行緒。若遇到無法使用CRTL+C 中止程式的情形時，重新建立一個新的 SSH 連線並用指令 kill 中止程式。
在 server 與 client 之間，我們依不同方向制定了二種溝通格式，參數之間以空白隔開、訊息之間以換行隔開。server 觸發 client 回報最新的 RSSI 時，會附上該次觸發的序號 (round)。為了讓client 能支援回報多個傳送端的封包 RSSI、並讓 server 能區分回報結果屬於哪回合，client 回報時會附上 server 傳來的序號 (round)、傳送端 (target MAC) 與RSSI (單位為dBm)。
方向
格式
server → client
[round]
client → server
[round] [observer MAC] [target MAC] [RSSI]
透過此格式設定，server 會定期要求 WiFi AP 回傳 RSSI 訊號，並顯示於螢幕上。
import java.io.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
public class RSSI_Server
{
static public void main(String[] args) throws Exception
{
Server Server = new Server();
Server.start();
IdleHandler IdleHandler=new IdleHandler(Server);
IdleHandler.start();
//guard interval for access
Thread.sleep(1000);
int interval=0;
int round=0;
String FileName;
Scanner input=new Scanner(System.in);
while(true)
{
System.out.println("Enter parameters for sensing");
System.out.println("Enter sensing interval(msec):");
try
{
interval = Integer.valueOf(input.nextLine());
}
catch(NumberFormatException e)
{
System.out.println("Format ERROR!!");
continue;
}
System.out.println("Enter total sensing round:");
try
{
round = Integer.valueOf(input.nextLine());
}
catch(NumberFormatException e)
{
System.out.println("Format ERROR!!");
continue;
}
System.out.println("Enter FileName to save result:");
if( (FileName = input.nextLine())==null)
{
continue;
}
for(int i=0;i<round;i++)
{
Server.sendSensingCommandToAll(String.valueOf(i));
Thread.sleep(interval*3/4);
Server.getSensingResultFromAll(FileName);
Thread.sleep(interval/4);
System.out.println(interval+"msec passed");
}
IdleHandler.clearWatchDogCount();
}
}
}
class Server extends Thread
{
List<Client> users;
public void run()
{
users = new ArrayList<Client>();
System.out.println("server start.");
try
{
ServerSocket ss = new ServerSocket(2223);
while(true)
{
Socket s = ss.accept(); //listen 2223
Client u = new Client(s, users);
users.add(u);
u.start();
System.out.println(users.size() +" clients are connected");
}
}
catch (IOException e)
{
e.printStackTrace();
System.out.println("server exception while listening.");
}
}
public void sendSensingCommandToAll(String cmd)
{
for(Client u:users)
{
u.sendSensingCommand(cmd);
}
}
public void getSensingResultFromAll(String FileName)
{
try
{
BufferedWriter bufferedWriter=new BufferedWriter(new FileWriter(FileName, true));
for(Client u:users)
{
String result = u.getSensingResult();
if(result!=null)
{
bufferedWriter.write(result+'\n');
}
}
bufferedWriter.write('\n');
bufferedWriter.close();
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
}
}
class Client extends Thread
{
Socket UserSocket;
List<Client> users;
String message;
Client(Socket s, List<Client> list)
{
UserSocket=s;
users=list;
}
public void run()
{
//server-to-client format: [round]
//client-to-server format: [round] [observer MAC] [target MAC] [RSSI]
try
{
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(UserSocket.getInputStream()));
while( (message=in.readLine())!=null)
{
System.out.println(message);
}
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
System.out.println("an user is leaving");
return;
}
}
public void sendSensingCommand(String cmd)
{
try
{
BufferedWriter out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(UserSocket.getOutputStream()));
out.write(cmd);
out.flush();
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}
}
public String getSensingResult()
{
String ret=null;
if(message!=null)
{
ret = message;
message = null;
}
return ret;
}
}
class IdleHandler extends Thread
{
int WatchDogCount=0;
Server Server;
IdleHandler(Server s)
{
Server = s;
}
public void run()
{
while(true)
{
try
{
Thread.sleep(1000);
}
catch (InterruptedException e)
{
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
WatchDogCount++;
if(WatchDogCount>=60)
{
Server.sendSensingCommandToAll(String.valueOf(-1));
WatchDogCount=0;
}
}
}
void clearWatchDogCount()
{
WatchDogCount=0;
}
}
在中，我們在 OpenWRT 上建立虛擬無線網卡，模式分別為 AP 模式與 Monitor 模式。接著用 tcpdump 監聽 Monitor 模式的無線網卡，並用 grep 指令保留同時包含 RSSI 值與source MAC 的訊息。上述的動作皆可以由 C 語言建立 pipe 時觸發，接著在 C 語言實作 parser將所要資訊擷取出來。
