ネットワーク通信入門

SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD.
ネットワークを用いた通信
株式会社SUGAR SWEET
ROBOTICS
菅　佑樹
1

自己紹介
2

自己紹介
• 菅佑樹 (Yuki Suga)
• 2012〜～株式会社SUGAR SWEET ROBOTICS代表取締役
• 2010〜～2012 株式会社リバスト
• 2007〜～2010 早稲⽥田⼤大学総合機械⼯工学科助⼿手 (菅野研)
3
http://ysuga.net
http://sugarsweetrobotics.com

!
• 2007〜～2010 早稲⽥田⼤大学総合機械⼯工学科助⼿手
林業機械支援システム
学習適応する
コミュニケーション
ロボット
4
http://www.sugano.mech.waseda.ac.jp
正面ステレオ
カメラ
収穫マニピュレータ
下方カメラ走行台車
車いす搭載型
ロボットアーム
いちご収穫ロボット
岐阜県・早稲田大学WABOT-‐HOUSE
研究所による
前川製作所との共同研究

• 2010〜～2012 株式会社リバスト
5
アメリカMobile
スイス
Robot社
移動台車
Pioneerシリーズ
Neuronics社
Katana
ロボットアーム
カナダ
Inuktun社
探索ロボット
フランス
Aldebaran
Robotics社
NAO
http://revast.co.jp

• 2012〜～株式会社SUGAR SWEET ROBOTICS
• http://sugarsweetrobotics.com
– ロボットの受託開発・コンサルティング
– RTミドルウエアに関する開発
– ロボット⽤用ミドルウエアに関する講演
6

コンテンツ
• 通信とは何か？
• プロトコルとは何か？
• TCP/IPとは何か？
• TCP通信の実際
• ソケット通信ライブラリ
• Winsock2
• 実習
7

通信とは何か
8

通信とは何か
• 通信（＝Communication）
• ２者（もしくはそれ以上）の間で情報を共有すること
• 日常会話も通信
• 壁画も通信
• どうやって，何を媒介として通信するか，が問題
9

プロトコル（通信規約）
• どのようなルール（フォーマット）で情報を伝達するか，の約束
• 会話に用いられる言語もプロトコル
• 通信速度や，データのアライメントもプロトコル
• 電線を使った通信なら，電圧やケーブルの太さ，コネクタ形
状もプロトコル
10

たとえば
• RS232C
• D Sub 9pin, 25pinコネクタ
• PCとターゲットの１対１を想定
• 調歩同期式通信なら3線で通信（入力と出力とコモン端子）
• +3Vから+15Vで０（スペース）
• -3Vから-15Vで１（マーク）
• 通信速度は9600bps, 19200bps, 38400bps, 115200bpsなどから選択
• スタートビット幅，ストップビット幅，データ長，パリティチェック，通
信制御線の有無
11

たとえば
• CAN (Controller Area Network)
• 2線式通信．2線間の電位差で”0”, “1”を決める
• 最大1Mbps
• バス型通信（複数台接続）
• ID（アドレス）で機材の判別
• 同時にバスにアクセスしようとするとハードウエアで自動的に判別可能
12
120Ω
120Ω
デバイスA
!
CANコントローラ
デバイスB
!
デバイスC
!

データをどう解釈するか？
• RS232Cならば，単純に8ビットのデータが一つ送られてくるのみ．
連続してデータを送り続ければ良い
• CANならば最大8バイトのデータに，送り手のアドレス情報も加わる
• いずれにせよ，このデータをどう解釈するかは自由
• その解釈のルールもプロトコル
13

• 文字列でデータを送受信
• 改行コードが送られるまで受信
• １行の文字列によって動作をする
• メリット
• Tera Termなどのターミナルソフトウエアで確認できる
• 注意点
• データが長くなる
• (125はデータで1バイトだが，文字列では3文字3バイト)
• 文字列を数値に変換するコストがかかる
• 文字コードの問題 (ASCII以外の場合)
• 改行コードの問題 (CRかLFか，CRLFか)
14
キャラクタベースプロトコル

バイナリプロトコル
• サーボモータのコントローラのプロトコル
• CAN想定
• 1バイト目：ロボットへの指令の種類
• 2バイト目以降：指令に必要なデータ
• メリット
• データが短く，効率的
• 注意点
• デバッグがしづらい（ツールを作れば問題無し）
• エンディアン（バイトオーダー）
15
D0
(命令) D1以降のデータ
1
(サーボON/OFF) D1が1ならON，D1が0ならOFF
2
(目標速度指令) D1,
D2で2バイト(16bit)の指令値．ビッグエンディアン．1023で最大
速度．最上位ビットが回転方向
3
(目標位置指令)
D1,
D2,
D3,
D4で4バイト(32bit)の指令値．ビッグエンディアン．
4
(トルク指令) D1,
D2で2バイトの指令値．ビッグエンディアン．1023で最大トル
ク．最上位ビットが回転方向

プロトコルの階層性
• RS232CやCANで送ったデータを，上位のプロトコルでどう解釈するか
• プロトコルには階層性がある
• ちょうど封筒のようなモノ．封筒の中身がデータで，解釈は上位のプロトコル
に任せる
• たとえば・・・
16
プロトコル1
プロトコル2
プロトコル2
物理的プロトコル
ネットワーク的
アプリケーション的
電圧
通信速度
どこから？
何の命令か？
どこへ？

TCP/IPとは何か
17

OSI参照モデル
アプリケーション層
プレゼンテーション層
セッション層
トランスポート層
• コンピュータの通信
機能を階層構造に分
割したモデル (ISO)
ネットワーク層
18
データリンク層
物理層

Ethernet
• イーサーネット
• Ether = エーテル・・・ど
こにでもある
• 普段，有線LANと称している
のはこれ
• 物理層+データリンク層の通
信
• MACアドレス
19
セッション層
物理層

IPとは何か
• IP (インターネットプロトコル）
ルータ0.1.1
• IPアドレス
• パケットのルーティング
ルータ0.0.1
20
セッション層
物理層
ホスト1
0.0.1.1
ホスト2
0.0.1.2
ホスト3
0.0.1.3
0.0.1.4
0.1.1.2
ホスト5
0.1.1.4
0.1.1.1

TCPとは何か
• TCP (Transmission Control Protocol)
• 到達確認と誤り訂正，順序訂正
• ポート番号
!
!
!
!
!
!
!
• TCP/IPを使えば高信頼かつ柔軟な
ホスト間の通信が可能になる
21
セッション層
物理層
ホスト1
0.0.1.4
ホスト2
0.0.1.2
ホスト5
0.1.1.1
80
3306
ウェブサーバ
データベース

TCP/IP通信を使うRT機器
RT = Robotics Technologies
(ロボット技術）
22

Ethernetとマイコン
• マイクロコントローラの高性能化
• EthernetとTCP/IPをサポートするコントロー
ラが増えた
• ドライバ不要
• プラットフォーム依存性（言語・OS）が低い
• IPアドレス等の設定が必要
• サポートする技術がある (Bonjourなど)
23

市販の汎用マイコン等
• arduinoやmbedなどのホビー向けマイコン
製品
• arduino, mbed, netduino, GR-SAKURA…
• Raspberry-PiやBeagle Boardなどの小型組
み込みLinuxボード
• Raspberry-Pi, Armadillo, Beagle Bone
Black
24

センサ，コントローラ等
• レーザースキャナ
• 北陽電機
• UST-10LX, USB-20LX等
• SICK株式会社
• LMS500等
• モータコントローラ
• イクシスリサーチ
• iMCs06等
25

PC
ロボット機器
• Mobile Robot Pioneerシリーズ
• RS232CでPCと通信
• クライアント用ライブラリが充実
26
RS232C クライアント
コントローラ
（マイコン）
センサ等モータ

ロボット機器
27
コントローラ
（マイコン）
PC
RS232C
PC
サーバ
クライアント
• Mobile Robot Pioneerシリーズ
• 付属のサーバープログラムを実行するとTCP/IPを使った遠隔操
作が可能
• クライアントプログラムは変更不要

ロボット機器
28
頭部
RS485等サーバPC
コントローラ
（マイコン）
クライアント
• Aldebaran Robotics NAO
• 頭部でLinuxサーバープログラムが自動実行される
• ロボットのIPアドレスの設定等は，ブラウザで可能
ウェブサーバ
IE等ブラウザ

TCP通信の実際
29

ソケット通信
• TCP/IP通信のエンドポイントを「ソケッ
ト」と呼ぶ
• OSごとに実装が違うが大きな流れは一緒
• UNIX, Linux (POSIXライブラリ)
• Windows (Winsockライブラリ)
• 様々な言語でソケット通信が可能
• C++, Python, Java, C#, VB, MATLAB… 30

サーバ側
1.ソケット生成（socket）
2.ソケット登録（bind）
3.ソケット接続準備（listen）
4.ソケット接続待機（accept）
5.受信・送信（recv / send）
6.ソケット切断（close）
31

クライアント側
32
1.ソケット生成（socket）
2.ソケット接続要求（connect）
3.受信・送信（recv / send）
4.ソケット切断（close）

TCP
• TCPソケットに必要な情報
• サーバー側
• ポート番号
• クライアント側
• ポート番号
• サーバーのIPアドレス
33
サーバー
0.1.1.1
3306 !
アプリ
クライアント
0.0.1.2

34
サーバー側クライアント側
ソケット作成
socket
ソケット登録
bind
ソケット接続準備
listen
ソケット接続待機
accept ソケット作成
socket
ソケット接続要求
connect
通信用ソケット
送受信
(send
/
recv)
ソケット切断
close
切断

Winsock2
35

サーバ側
36

ヘッダーファイル
• winsock2.hやws2tcpip.hをインクルードする
• ws2_32.libをリンクする
37
//
ソケットライブラリを使うためのヘッダー
#include
<winsock2.h>
#include
<ws2tcpip.h>
#include
<tchar.h>
//
ソケットライブラリを使うためのライブラリのリンク
#pragma
comment
(lib,
"Ws2_32.lib")
!
//
標準的なC言語のヘッダー
#include
<stdio.h>
#include
<stdlib.h>

WSAStartup
38
• WSAStartupを実行する必要がある．
• 終了時はWSACleanupを実行する
//
#1.
WSAStartup関数を呼び出し、ソケット通信を開始する
//
この関数を読んだ場合、プログラムはWSACleanup関数を
//
呼んで終了する必要がある。
WSADATA
wsaData;
result
=
WSAStartup(MAKEWORD(2,
2),
&wsaData);
if
(result
!=
0)
{
//
失敗するとゼロ以外の値が返る
printf("
#
WSAStartup
failed
with
error:
%dn",
result);
return
INVALID_SOCKET;
}

//
#2.3
ソケットの作成
listenSocket
=
socket(AF_INET,
SOCK_STREAM,
0);
if
(listenSocket
==
INVALID_SOCKET)
{
printf("socket
failed
with
error:
%ldn",
WSAGetLastError());
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}
39
• socket関数でソケットを作成する

40
• サーバーが待機するソケットの設定を初期化する
• 重要なのはTCPのポート番号
!
struct
sockaddr_in
addr;
!
addr.sin_family
=
AF_INET;
addr.sin_port
=
htons(27015);
addr.sin_addr.S_un.S_addr
=
INADDR_ANY;
!
//
#2.4
Bind
result
=
bind(listenSocket,
(struct
sockaddr
*)&addr,
sizeof(addr));
if
(result
==
SOCKET_ERROR)
{
printf("bind
failed
with
error:
%dn",
WSAGetLastError());
closesocket(listenSocket);
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}

• listen関数で接続の準備
• accept関数で接続待機
41
//
#2.5
Listen
result
=
listen(listenSocket,
SOMAXCONN);
if
(result
==
SOCKET_ERROR)
{
printf("listen
failed
with
error:
%dn",
WSAGetLastError());
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}
!
//
#2.6
Accept
clientSocket
=
accept(listenSocket,
NULL,
NULL);
if
(clientSocket
==
INVALID_SOCKET)
{
printf("accept
failed
with
error:
%dn",
WSAGetLastError());
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}

• recv関数でデータを受信する
42
int
numReceived;
char
receiveBuffer[DEFAULT_BUFFER_LEN];
int
receiveBufferLength
=
DEFAULT_BUFFER_LEN;
!
//
データを受信する。numReceivedには受信したデータのバイト数が入る。
receiveBufferには受信データが入る。
numReceived
=
recv(clientSocket,
receiveBuffer,
receiveBufferLength,
0);
if
(numReceived
>
0)
{
//
正常に受信したなら表示する。
printf("
#
Bytes
received:
%dn",
numReceived);
}

• send関数でデータの送信
43
int
numReceived;
char
receiveBuffer[DEFAULT_BUFFER_LEN];
int
receiveBufferLength
=
DEFAULT_BUFFER_LEN;
!
sendResult
=
send(clientSocket,
receiveBuffer,
numReceived,
0);
if
(sendResult
==
SOCKET_ERROR)
{
//
送信失敗なら終了する。
printf("
#
Send
failed
with
error:
%dn",
WSAGetLastError());
closesocket(clientSocket);
WSACleanup();
return
1;
}
printf("
#
Bytes
sent:
%dn",
sendResult);
//
送信成功なら表示する。

44

ヘッダーファイル
• winsock2.hやws2tcpip.hをインクルードする
• ws2_32.libをリンクする
45
//
ソケットライブラリを使うためのヘッダー
#include
<winsock2.h>
#include
<ws2tcpip.h>
#include
<tchar.h>
//
ソケットライブラリを使うためのライブラリのリンク
#pragma
comment
(lib,
"Ws2_32.lib")
!
//
標準的なC言語のヘッダー
#include
<stdio.h>

WSAStartup
46
• WSAStartupを実行する必要がある．
• 終了時はWSACleanupを実行する
//
#1.
WSAStartup関数を呼び出し、ソケット通信を開始する
//
この関数を読んだ場合、プログラムはWSACleanup関数を
//
呼んで終了する必要がある。
WSADATA
wsaData;
result
=
WSAStartup(MAKEWORD(2,
2),
&wsaData);
if
(result
!=
0)
{
//
失敗するとゼロ以外の値が返る
printf("
#
WSAStartup
failed
with
error:
%dn",
result);
return
INVALID_SOCKET;
}

struct
sockaddr_in
addr;
!
server.sin_family
=
AF_INET;
server.sin_port
=
htons(27015);
server.sin_addr.S_un.S_addr
=
inet_addr(“127.0.0.1”);
!
//
#2
ソケットの作成
clientSocket
=
socket(AF_INET,
SOCK_STREAM,
0);
if
(clientSocket
==
INVALID_SOCKET)
{
printf("socket
failed
with
error:
%ldn",
WSAGetLastError());
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}
47
• ソケットの設定を初期化する
• 接続先のアドレスとTCPのポート番号

• サーバーが待機するソケットの設定を初期化する
• 重要なのはTCPのポート番号
//
#3
ソケットの接続
result
=
connect(clientSocket,
(struct
sockaddr
*)&server,
sizeof(server));
if
(result
!=
0)
{
printf("socket
failed
with
error:
%ldn",
WSAGetLastError());
WSACleanup();
return
INVALID_SOCKET;
}
48

TCP/IP通信設定
• サーバ側のIPアドレス・ポート番号を知る
• サーバ側でのipconfig / ifconfigコマンド
• 説明書をよく読む
• そもそも相手のPCや機器と通信が可能か？
• pingコマンドで確認する
• ファイアーウォールの設定を確認する
49

実習
50

実習内容
• サーバー&クライアントのプログラム
• サーバー側
• 27015番のTCPポートで待機
• 命令によって異なる音声をならす
• サーバーに接続する
• サーバは自マシンで動く (IPアドレスは127.0.0.1固定）
• キーボード入力によって異なる命令を送信
51

これをインストールして下さい
• Visual Studio 2013 Express Edition for
Windows Desktop
• http://www.visualstudio.com/
downloads/download-visual-studio-vs#
d-express-windows-desktop
• Tera Term (ターミナルソフト)
52

キーボード入力
数値1～9
受信確認
プロトコル
• テキストベースのプロトコル
• SND*の4バイト「*」には数値が入る
53
S N D 1．．．．
S N D 9 C:WindowsMedia
o
再生
．．．．
Ring01.wav
C:WindowsMedia
Ring09.wav
k .

実習手順
1.データを受信し表示するプログラムを作る
• 一般的なターミナルソフトからデータを送信する
2.受け取ったデータによって処理を変える
• これもターミナルソフトでテスト
3.データを送信するプログラムを作る
• ２つのプログラムを統合する
54

Visual Studioの基本的操作
55

Visual Studio 2013
• Visual Studio 2013 for Windows
Desktopを開く
• 初めて起動する人は登録が必要
• ファイル＞新しいプロジェクトを
選択
• テンプレート＞Visual C++を選択
• Win32 コンソールアプリケー
ションを選択
• 名前を「TelnetServer」とする
56

アプリケーションの設定
• 左のメニューからアプリ
ケーションの設定を選ぶ
• 追加のオプション＞空の
プロジェクトをチェック
• SDLチェックを外す
• 「完了」を押す
57

ファイルの追加
• 画面右の「ソリューショ
ンエクスプローラ」の
「ソースファイル」を
右クリック
• 追加＞新しい項目
• C＋＋ファイルを選択
• 名前を「main.cpp」と
する
58

main.cppを書く
• 追加資料を元にmain.cppを編集する．
59

ビルド
• メニュー＞ソリューションのビルド
60

実行
• メニュー＞デバッグ＞デバッグ開始
61

サーバー側のプログラム
62

テスト方法
• kadai1プログラムをビルドして実行
• Tera TermでIPアドレス「127.0.0.1」の27015番ポー
トに接続する
• キーボードでabcと打ってリターン
• 実行中のプログラムに3バイト受信と表示される
63

Tera Termの使い方
• ホストを127.0.0.1
(サーバーのアドレスに）
• TCPポートを27015に
• サービスをTelnetに
64

どうしてもうまくいかない
• ファイアーウォールをOFFにして試してみ
ましょう（インターネットに繋いだままだ
とやや危険です．自己責任でお願いします）
• http://windows.microsoft.com/ja-jp/
windows/turn-windows-firewall-on-
off#turn-windows-firewall-on-off=
windows-7
65

サーバー側
受信したデータによって分岐する
66

テスト方法
• Tera TermでIPアドレス「127.0.0.1」の27015番ポートに
接続する
• キーボードでsnd1と打ってリターン
• C:Windowsmediaring01.wavが再生される
67

サーバー側
snd*に対応させる
68

「snd*」に対応させる
• もしsndから始まらないならエラー
• 数字は１ケタと仮定
• ４文字目のデータは数字
• 数字の文字コードから48を引くと数値に
なる
69

テスト方法
• Tera TermでIPアドレス「127.0.0.1」の27015番ポートに接続す
る
• ・・・snd9まで試す
70

71

テスト方法
• kadai3プログラムをビルドして実行（サーバーが起動）
• kadai4プログラムをビルドして実行（自作クライアントが起動）
• IPアドレス「127.0.0.1」の27015番ポートに接続する
• プログラムは自動的にsnd1と送信する．
• ok.の3文字が返ってくれば成功
72

キーボード入力で分岐
73

課題
• キーボード入力の数値を判別
• 0から9ならばsnd*として送信
• qならば終了
74

テスト方法
• kadai3プログラムをビルドして実行（サーバーが起動）
• kadai5プログラムをビルドして実行（自作クライアントが起動）
• IPアドレス「127.0.0.1」の27015番ポートに接続する
• クライアント側の黒いウィンドウをアクティブにし，「１」と打ってEnter
すると，クライアント側はsnd1と送信するので，音声がなる．
• 同様に1から9まで試す．
75

発展編
76

発展編
• ソフトウエアのメンテナンス性を良くする
• サーバー側
• フレームワーク化する
• ライブラリ化する
• ヘッダーとDLLを配布すれば誰でも使えるように
• 複数の言語に対応させる
• GUI作成，ウェブやDBとの連携，数値計算など，言語ごと
に向き不向きがある
• 複数の開発者に使ってもらうなら複数の言語対応を
• C++, Python, Java, C#, MATLAB, LabVIEW
77

発展編
• 複数のプラットフォームに対応させる
• Windows
• Linux (OSX)
!
• 移植性の高いコードにする
• ソケット通信用ミドルウエアを使う
• boost, ACEなど
• OS依存性の低い言語を使う
• .NET Framework, Java, Pythonなど
78

SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD. 発展編
• オープンなプロトコルに対応させる
• 独自プロトコル開発は車輪の再発明
• プロトコルの慎重な設計は難しく，問題が発覚した後の変更が困難
• オープンな規格への対応で複数の言語・OS対応になる
• ロボット系で一般的に使われるインターネット上での分散制御用プロトコル
• XML-RPC, JSON-RPC
• CORBA, DDS
• ロボット用ミドルウエア
• OpenRTM-aist
• Win, Linux, OSX
• C++, Python, Java, C#
• ROS
• Linux, OSX
• C++, Python, Java, C#, Haskell
• ORiN
• Win, Linux
• .NET framework対応 (C++, C#, VB, Python, Java,…)
79

おわりに
• 質問等・サポートページ
• http://sugarsweetrobotics.com/ネットワーク通信の基礎/
80

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