rs2322tcp

rs2322tcp ermöglicht die transparente Übertragung von RS232-Daten über TCP/IP.

Das Projekt ist für den Einsatz geeignet, bei dem eine vorhandene Software eine serielle Schnittstelle erwartet, das zugehörige Gerät sich jedoch an einem entfernten Standort befindet.

Ziel

Auf der Client-Seite soll vorhandene Hersteller-Software eine normale serielle Schnittstelle vorfinden.

Die Daten werden vom rs2322tcp-client über TCP an einen entfernten rs2322tcp-server übertragen. Der Server verbindet die Netzwerkverbindung mit einer realen seriellen Schnittstelle.

Damit sollen weder die vorhandene Software auf dem Client noch die angeschlossenen Geräte auf der Remote-Seite erkennen müssen, dass die Verbindung über ein Netzwerk erfolgt.

Typische Anwendungen sind beispielsweise:

• Funkgeräte mit CAT-Steuerung
• Antennenrotoren mit herstellerspezifischen seriellen Protokollen
• andere Geräte, die über RS232 gesteuert werden

Architektur

Client-PC                              Raspberry Pi 5
─────────────────                     ─────────────────

Hersteller-Software                   rs2322tcp-server
       │                                      │
       │ virtuelle                           │
       │ serielle Schnittstelle              │
       ▼                                      │
rs2322tcp-client                             │
       │                                      │
       └──────────── TCP/IP ──────────────────┘
                                              │
                                   ┌──────────┴──────────┐
                                   │                     │
                              USB-to-RS232          USB-to-RS232
                                   │                     │
                               Funkgerät              Rotor

Aktueller Server-Datenpfad

Die serverseitige TCP-/RS232-Verbindung ist implementiert:

TCP-Control
     │
     ▼
  Session
     │
     ├── Gerät 1 ──► dynamischer Data-Port
     │                    │
     │                    ▼
     │               TCP Data
     │                    │
     │                    ▼
     │              Serial Layer
     │                    │
     │                    ▼
     │                 RS232
     │
     └── Gerät 2 ──► dynamischer Data-Port

Die serielle Schnittstelle wird erst geöffnet, wenn ein Client tatsächlich eine Data-Verbindung zum entsprechenden dynamischen TCP-Port aufbaut.

Pro konfiguriertem Gerät ist nur eine aktive Data-Verbindung vorgesehen.

Die Datenübertragung erfolgt bidirektional:

TCP ───────────────► RS232
TCP ◄────────────── RS232

Client

Der Client soll gleichberechtigt unter folgenden Betriebssystemen eingesetzt werden können:

• Windows
• Linux

Die plattformspezifische Bereitstellung der virtuellen seriellen Schnittstelle wird vom gemeinsamen Client-Kern getrennt.

Unter Linux ist die virtuelle serielle Schnittstelle inzwischen über einen direkt aus Go erzeugten PTY implementiert. Die Implementierung verwendet /dev/ptmx und stellt den zugehörigen PTY-Slave unter /dev/pts/N bereit.

Die PTY-Schnittstelle wird im Raw Mode betrieben. Dadurch werden die übertragenen Daten als transparenter Byte-Strom behandelt.

Die allgemeine Client-Logik verwendet dafür die Abstraktion VirtualSerial. Die Linux-spezifische Implementierung ist von dieser Abstraktion getrennt.

Für die PTY-Funktion ist keine externe Laufzeitabhängigkeit wie socat erforderlich.

Server

Der Server ist zunächst für den Betrieb auf einem Raspberry Pi 5 vorgesehen.

Mehrere USB-to-RS232-Adapter können angeschlossen werden. Anzahl, Bezeichnung und serielle Parameter der Anschlüsse werden über eine Konfigurationsdatei festgelegt.

Die serverseitige Serial-Kommunikation verwendet go.bug.st/serial.

Serielle Schnittstelle

Für die Ansteuerung der seriellen Schnittstellen wird derzeit verwendet:

go.bug.st/serial v1.7.1

Die Bibliothek wurde zusätzlich auf dem privaten Git-Server des Projektes gespiegelt, um bei einem Ausfall des ursprünglichen Anbieters weiterhin auf den verwendeten Quellstand zugreifen zu können:

git.lang-dieter.de/third-party/go-serial

Die verwendete Version v1.7.1 ist auf dem Backup-Repository einschließlich Git-Tag vorhanden.

Netzwerk

Für die Übertragung der RS232-Daten wird TCP verwendet.

Die beteiligten Systeme werden zunächst über ein vertrauenswürdiges Tailscale-Netz verbunden.

Eine zusätzliche TLS-Verschlüsselung ist deshalb derzeit nicht vorgesehen.

Für eine spätere Übertragung von Audio-Daten ist ein separates Netzwerk-/Transportkonzept vorgesehen. Hierfür soll UDP verwendet bzw. untersucht werden.

Konfiguration

Client und Server erhalten jeweils eine eigene JSON-Konfiguration.

Über die Konfiguration werden unter anderem festgelegt:

• Netzwerkparameter
• serielle Schnittstelle
• Baudrate
• Datenbits
• Parität
• Stopbits
• Bezeichnung des Gerätes
• weitere für die jeweilige Schnittstelle erforderliche Parameter

Die konkrete Konfigurationsstruktur befindet sich in der Entwicklung.

Diagnose und Logging

Für Debugging und Diagnose soll eine Protokollierung des übertragenen Datenverkehrs möglich sein.

Insbesondere soll eine Darstellung der übertragenen Bytes möglich sein, um Probleme bei der Kommunikation zwischen Hersteller-Software und Gerät analysieren zu können.

Während der Entwicklung kann socat als zusätzliches Werkzeug für Tests und Diagnose eingesetzt werden.

Hardwaretest mit SPID Rot2Prog

Für den praktischen Hardwaretest wurde ein SPID Rot2Prog als Antennenrotor über einen FT232R USB-to-RS232-Adapter angeschlossen.

Unter Linux wurde der Adapter als:

/dev/ttyUSB0

erkannt.

Der Rot2Prog verwendet für die RS232-Kommunikation:

600 Baud
8 Datenbits
keine Parität
1 Stopbit

also:

600 8N1

Rotor einschalten

Vor dem Kommunikationstest muss der SPID-Rot2Prog eingeschaltet sein.

Der Controller muss für die serielle Steuerung im SPID-/Auto-Betrieb betrieben werden.

Der Zustand des Controllers kann über die vorhandenen Bedientasten und die LED-Anzeigen kontrolliert werden.

Direkter Hardwaretest

Der serielle Port kann zunächst unabhängig von rs2322tcp getestet werden:

stty -F /dev/ttyUSB0 600 cs8 -cstopb -parenb raw -echo

Kontrolle:

stty -F /dev/ttyUSB0

Anschließend kann die serielle Antwort des Controllers beobachtet werden:

cat /dev/ttyUSB0 | xxd -g 1

Eine Statusabfrage kann beispielsweise mit folgendem Paket gesendet werden:

printf '\x57\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x1f\x20' > /dev/ttyUSB0

Bei erfolgreicher Kommunikation antwortet der Rot2Prog mit einem 12-Byte-Datenpaket.

Test über rs2322tcp

Nach erfolgreichem direkten Hardwaretest wird der reale serielle Port im Server konfiguriert:

Rotor:
    /dev/ttyUSB0
    600 Baud
    8 Datenbits
    keine Parität
    1 Stopbit

Der Client stellt dem Anwender dafür den virtuellen Port:

/dev/ttyUSB101

zur Verfügung.

Die gleiche Statusabfrage kann anschließend über den vollständigen rs2322tcp-Datenpfad gesendet werden:

printf '\x57\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x1f\x20' > /dev/ttyUSB101

Der Datenweg ist dann:

/dev/ttyUSB101
      │
      ▼
rs2322tcp-client
      │
      │ TCP
      ▼
rs2322tcp-server
      │
      ▼
/dev/ttyUSB0
      │
      │ 600 Baud / 8N1
      ▼
SPID Rot2Prog
      │
      │ Antwort
      ▼
rs2322tcp-server
      │
      │ TCP
      ▼
rs2322tcp-client
      │
      ▼
/dev/ttyUSB101

Damit kann die Antwort des Rotors wieder über den virtuellen seriellen Port gelesen werden.

Ein erfolgreich beobachteter Antwort-Datenstrom war:

57 03 06 05 0C 01 03 06 02 0F 01 20

Damit wurde die bidirektionale Übertragung zwischen dem virtuellen seriellen Port des Clients und dem realen SPID-Rot2Prog über TCP erfolgreich nachgewiesen.

Manuelle Einrichtung der virtuellen seriellen Ports

Die virtuellen seriellen Ports werden vor dem Start des Clients manuell eingerichtet. Dadurch muss der rs2322tcp-client selbst nicht als root bzw. mit sudo laufen.

Zunächst das Verzeichnis für die internen virtuellen Links anlegen:

mkdir -p ~/.rs2322tcp/virtual

Anschließend werden die öffentlichen /dev/ttyUSBxxx-Links einmalig mit administrativen Rechten angelegt:

sudo ln -s "$HOME/.rs2322tcp/virtual/ttyUSB100" /dev/ttyUSB100
sudo ln -s "$HOME/.rs2322tcp/virtual/ttyUSB101" /dev/ttyUSB101

Die Zuordnung ist:

/dev/ttyUSB100 -> ~/.rs2322tcp/virtual/ttyUSB100 -> PTY
/dev/ttyUSB101 -> ~/.rs2322tcp/virtual/ttyUSB101 -> PTY

Die äußeren Links unter /dev gehören dabei root. Das ist beabsichtigt. Der Client selbst läuft anschließend als normaler Benutzer.

Die internen Links unter ~/.rs2322tcp/virtual/ werden vom Client auf die jeweils verwendeten PTYs gesetzt.

Die beiden virtuellen Ports werden in der Client-Konfiguration den Geräten zugeordnet:

/dev/ttyUSB100 -> radio
/dev/ttyUSB101 -> rotor

Die manuelle Einrichtung muss nur erfolgen, wenn die /dev/ttyUSB100- und /dev/ttyUSB101-Links noch nicht vorhanden sind.

Virtuelle serielle Schnittstelle unter Linux

Für den Linux-Client wird die virtuelle serielle Schnittstelle direkt über den Linux-PTY-Mechanismus erzeugt.

Dabei entsteht ein PTY-Paar:

/dev/ptmx
    │
    ▼
PTY Master
    │
    ↕
PTY Slave
    │
    ▼
/dev/pts/N

Die externe Hersteller-Software arbeitet mit dem PTY-Slave /dev/pts/N. Der rs2322tcp-client verwendet den PTY-Master und transportiert die Bytes über TCP zum Server.

Die PTY-Implementierung arbeitet im Raw Mode und wurde mit einem vollständigen Bytebereich von 0x00 bis 0xFF geprüft.

Dabei wurde die bidirektionale Übertragung aller 256 möglichen Bytewerte erfolgreich getestet.

Geräte-Simulator

Das Programm rs2322tcp-device-sim dient als Simulator für ein an der seriellen Schnittstelle angeschlossenes Gerät.

Der Simulator ist bewusst als eigenständiges Programm ausgeführt. Der rs2322tcp-server muss nicht wissen, ob am seriellen Port ein echtes Gerät oder der Simulator angeschlossen ist.

Der Simulator kann:

• Daten von einer seriellen Schnittstelle oder einem Linux-PTY empfangen
• empfangene Rohdaten als Hexdump anzeigen
• beliebige Bytefolgen über eine interaktive Hex-Eingabe senden
• ungültige Hex-Eingaben erkennen
• als virtuelle serielle Gegenstelle für externe Software dienen

Beispiel:

go run ./cmd/rs2322tcp-device-sim -port /dev/pts/7

Zum Senden wird eine Hex-Folge eingegeben:

TX> 46 41 00 10 0D

Der Simulator überträgt diese fünf Bytes.

Empfangene Daten werden beispielsweise so angezeigt:

RX  5 Bytes
          46 41 00 10 0D

Die Hex-Eingabe kann mit oder ohne Leerzeichen erfolgen:

46 41 00 10 0D

und:

464100100D

sind gleichwertig.

Auch Groß- und Kleinschreibung kann gemischt werden:

0a FF 01 b7

Ungültige Eingaben wie

GG

oder

4

werden erkannt und führen nicht zum Beenden des Simulators.

Der Simulator soll insbesondere auch als Sniffer dienen können, wenn externe Hersteller-Software untersucht werden soll. Dadurch lassen sich die von einer Software gesendeten seriellen Kommandos zunächst als Rohdaten beobachten.

Geplante bzw. mögliche Erweiterungen sind:

• automatische Geräteantworten
• Protokollsimulation
• Aufzeichnung und Wiedergabe von Datenströmen

PTY-Testprogramm

Für die Entwicklung existiert zusätzlich das separate Testprogramm:

~/rs2322tcp-pty-test

Es erzeugt unter Linux ein PTY, setzt den Slave in den Raw Mode und zeigt den Namen des Slave-Gerätes an.

Beispiel:

cd ~/rs2322tcp-pty-test
go run .

Ausgabe:

PTY Slave: /dev/pts/2
PTY ist im Raw Mode.

Warte auf Daten vom PTY-Slave ...
Mit Ctrl+C beenden.

Das Programm zeigt anschließend beliebige empfangene Bytes unmittelbar als Hexdump an.

Der Testaufbau ermöglicht damit Tests in beiden Richtungen:

Master → Slave
Slave  → Master

und eignet sich auch als einfacher Beobachtungspunkt für den Datenstrom.

Sniffer-Funktion

Der Empfänger des Testaufbaus kann gleichzeitig als einfacher Sniffer verwendet werden.

Dadurch kann später auch externe Software angeschlossen werden, um zu beobachten, welche Kommandos diese Software tatsächlich über die serielle Schnittstelle versendet.

Besonders für die Entwicklung von Protokollen für Funkgeräte oder andere Hardware ist das hilfreich.

Der Sniffer verändert die empfangenen Daten nicht, sondern zeigt die empfangenen Bytes lediglich an.

Externe USB-to-Seriell-Adapter

Für den späteren praktischen Einsatz sind USB-to-Seriell-Adapter vorgesehen.

Unter Linux werden solche Adapter normalerweise als serielle Gerätedateien bereitgestellt, beispielsweise:

/dev/ttyUSB0

Die Kommunikation erfolgt über die normale serielle Schnittstelle des Betriebssystems und die vorhandene Serial-Abstraktion.

Das Projekt benötigt für die serielle Kommunikation keine direkte libusb-Anbindung. Bei üblichen USB-to-Seriell-Adaptern, beispielsweise mit FTDI-Chips, wird die serielle Schnittstelle über den Linux-Kernel- Treiber bereitgestellt.

Eine spezielle Hardware-Anbindung über libusb ist für rs2322tcp daher nicht vorgesehen.

Tests

Die wichtigsten Komponenten verfügen über automatisierte Tests.

Der aktuelle Stand wird unter anderem mit folgenden Befehlen geprüft:

go test ./...

und:

go test -race ./...

Der Race Detector wird eingesetzt, um Probleme bei der nebenläufigen Verarbeitung von Sessions, Data-Listenern, DataConnections und Client- Komponenten zu erkennen.

Die Linux-PTY-Komponente wurde mit einem vollständigen Bytebereich von 0x00 bis 0xFF geprüft.

Der Geräte-Simulator verfügt zusätzlich über automatisierte Tests für die Hex-Konvertierung und die Behandlung ungültiger Eingaben.

Für die Prüfung des Arbeitsbaums:

git diff --check
git status

Projektstruktur

rs2322tcp/
├── cmd/
│   ├── rs2322tcp-client/
│   ├── rs2322tcp-device-sim/
│   └── rs2322tcp-server/
├── configs/
├── docs/
├── internal/
│   ├── client/
│   ├── config/
│   ├── serial/
│   ├── server/
│   ├── transport/
│   └── version/
├── scripts/
│   └── build.sh
├── CHANGELOG.md
├── LICENSE
├── README.md
└── go.mod

Build

Der Build erfolgt über das zentrale Build-Skript:

./scripts/build.sh

Das Skript führt unter anderem folgende Schritte aus:

• Formatierung des Go-Quellcodes
• Ausführung der Tests
• Bereinigung der Go-Module
• Ermittlung der Git-Versionsinformationen
• Build der vorgesehenen Zielplattformen
• Einbettung der Versionsinformationen über den Go-Linker
• Erzeugung von SHA256-Prüfsummen

Aktuell werden folgende Builds erzeugt:

• Linux amd64 -- Client und Server
• Linux arm64 -- Server
• Linux armv7 -- Server
• Linux armv6 -- Server

Versionierung

Die Versionierung erfolgt über Git.

Die Git-Informationen werden beim Build in die Binärdateien eingebettet. Neben der Version werden unter anderem Build-Nummer, Commit und Build-Datum erfasst.

Release-Versionen werden über Git-Tags gekennzeichnet.

Aktueller Stand:

• v0.0.1 – erste Projektversion
• v0.0.2 – Client-Control- und Data-Verbindungen
• v0.0.3 – Linux-PTY-Unterstützung und Geräte-Simulator
• v0.0.4 – in Vorbereitung: interaktive TX-Funktion und automatisierte Tests des Geräte-Simulators

Entwicklungsstand

Das Projekt befindet sich weiterhin in der frühen Entwicklungsphase.

Implementiert und getestet sind derzeit:

• Server-Control-Verbindung
• Session-Verwaltung
• dynamische Data-Ports
• DataConnection
• bidirektionale TCP-/RS232-Datenübertragung
• Serial-Abstraktion
• Konfiguration der seriellen Parameter
• Client-Control-Verbindung
• Client-DataConnection
• Client-Integrationstests
• Linux-PTY-Abstraktion
• Linux-PTY im Raw Mode
• automatisierter bidirektionaler 256-Byte-PTY-Test
• nebenläufigkeitssichere Data-Listener
• Race-Detection
• eigenständiger Geräte-Simulator mit RX-Hexdump
• interaktive TX-Hex-Eingabe des Geräte-Simulators
• automatisierte Tests der Hex-Konvertierung

Noch nicht vollständig implementiert sind insbesondere:

• die vollständige Anbindung der virtuellen seriellen Schnittstelle an den produktiven Client-Anwendungsdatenpfad
• die Windows-Implementierung der virtuellen seriellen Schnittstelle
• automatische Geräteantworten und Protokollsimulation

Lizenz

GPL-3.0-or-later