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UDP

一、UDP 概述

UDP(用户数据报协议,User Datagram Protocol)是一种无连接的、不可靠的传输层协议,主要用于实现网络中的快速通讯。以下是 UDP 通讯的主要特点:

1.1 无连接通讯:

UDP 在发送数据之前不需要建立连接,这大大减少了通讯的延迟。发送方只需将数据包封装成 UDP 报文,并附上目的地址和端口号,即可直接发送。

1.2 不可靠传输:

UDP 不保证数据包的顺序性、完整性和可靠性。数据包在传输过程中可能会丢失、重复或乱序到达。因此,UDP 通讯需要应用层自行处理这些问题,如实现错误检测、数据重传等机制。

1.3 面向报文:

UDP 以报文为单位进行数据传输,每个报文都是独立的。这种面向报文的特性使得 UDP 能够保持数据的完整性,并且便于进行错误检测和处理。

1.4 高效性:

UDP 的头部结构非常简单,只包含必要的字段,如源端口、目的端口、数据长度和校验和。这种简洁的头部设计使得 UDP 在处理数据包时更加高效,减少了网络延迟。

1.5 实时性:

UDP 通讯具有较快的传输速度,适用于对实时性要求较高的应用场景,如视频通话、在线游戏等。在这些场景中,即使数据包偶尔丢失或延迟,也不会对整体功能产生严重影响。

二、准备硬件环境

“古人云:‘工欲善其事,必先利其器。’在深入介绍本功能示例之前,我们首先需要确保以下硬件环境的准备工作已经完成。”

2.1 Air201模组

使用 Air201 模组,如下图所示:

点击链接购买:合宙Air201模组淘宝购买链接

此模组的详细使用说明参考:Air201 产品手册

2.2 SIM 卡

请准备一张可正常上网的 SIM 卡,该卡可以是物联网卡或您的个人手机卡。

特别提醒:请确保 SIM 卡未欠费且网络功能正常,以便顺利进行后续操作。

2.3 PC 电脑

请准备一台配备 USB 接口且能够正常上网的电脑。

电脑操作系统为:WIN10以及以上版本的WINDOWS系统。

2.4 数据通信线

请准备一根用于连接 Air201模组和 PC 电脑的数据线,该数据线将实现业务逻辑的控制与交互。

  • USB 数据线(其一端为 Type-C 接口,用于连接 Air201模组)。通常,这种数据线的外观如下示意图所示:

普通的手机 USB 数据线一般都可以直接使用;

  • 数据线是 USB 转 TTL 串口线。通常,这种数据线的外观如下示意图所示:

在本教程中,我们将采用以下数据线配置进行测试和数据查看:

  • 第一种:USB 数据线:此数据线不仅用于为测试板供电,还用于查看数据日志。其一端为 Type-C 接口,连接 Air201模组;另一端为标准 USB 接口,连接 PC 电脑。
  • 第二种:USB 转 TTL 串口线:此数据线主要用于 UDP-UART 数据的查看。其一端为 USB 接口,连接 PC 电脑;另一端为 TTL 串口接口,连接 Air201模组,以便进行串口通信和数据传输。

2.5 组装硬件环境

2.5.1 请按照 SIM 卡槽上的指示方向正确插入 SIM 卡,务必确保插入方向正确,避免插反导致损坏!

通常,插入 SIM 卡的步骤如下:

  • 将 SIM 卡的金属接触面朝下,对准卡槽的开口。
  • 用力平稳地将 SIM 卡推入卡槽,直至推到最底端,表示 SIM 卡已正确安装到位。

2.5.2 USB 数据线,连接电脑和 Air201 模组,如下图所示:

三、准备软件环境

“凡事预则立,不预则废。”在详细阐述本功能示例之前,我们需先精心筹备好以下软件环境。

3.1 Luatools 工具

要想烧录 LuatOS 固件到 4G 模组中,需要用到合宙的强大的调试工具:Luatools;

下载地址:Luatools v3 下载调试工具

Luatools 工具集具备以下几大核心功能:

  • 一键获取最新固件:自动连接合宙服务器,轻松下载最新的合宙模组固件。
  • 固件与脚本烧录:便捷地将固件及脚本文件烧录至目标模组中。
  • 串口日志管理:实时查看模组通过串口输出的日志信息,并支持保存功能。
  • 串口调试助手:提供简洁的串口调试界面,满足基本的串口通信测试需求。

Luatools 下载之后, 无需安装, 解压到你的硬盘,点击 Luatools_v3.exe 运行,出现如下界面,就代表 Luatools 安装成功了:

3.2 烧录代码

首先要说明一点: 脚本代码, 要和固件的 LuatOS-SoC_V2002_Air201.soc 文件一起烧录。

整体压缩文件:内含有 文件一:Core 固件 和 文件二:UDP-UART 脚本文件,如图所示。

3.2.1 压缩文件:完整文件包

右键点我,另存为,下载完整压缩文件包

3.2.2 压缩包内部文件

文件一:Core 固件

文件二:UDP-UART 脚本文件

3.2.3 找到烧录的固件文件

官网下载,底层 core 下载地址:LuatOS 底层 core 注:本 demo 使用如图所示固件

3.2.4 正确连接电脑和 4G 模组电路板

使用带有数据通信功能的数据线,不要使用仅有充电功能的数据线;

3.2.5 识别 4G 模组的 BOOT 引脚

Air201进入boot下载模式,烧录固件和程序,需要将预留的测试点(Air201板子 B面图) 的BOOT 上拉到vdd_ext(A面USB旁边),之后上电开机,即可进入下载模式,下载完程序后将boot脚悬空。

Air201板子 A面图

Air201板子 B面图

Air201板子 B面图

3.2.6 识别电脑的正确端口

判断是否进入 BOOT 模式:模块上电,此时在电脑的设备管理器中,查看串口设备, 会出现一个端口表示进入了 BOOT 下载模式,如下图所示:

一旦进入了boot下载模式,表示硬件连接上已经处于就绪状态,此时就可以使用Luatools工具进行烧录了!

3.2.7 新建项目

首先,确保你的 Luatools 的版本大于或者等于 3.0.6 版本.

在 Luatools 的左上角上有版本显示的,如图所示:

Luatools 版本没问题的话, 就点击 Luatools 右上角的“项目管理测试”按钮,如下图所示:

这时会弹出项目管理和烧录管理的对话框,如下图:

3.2.8 开始烧录

选择 Air780E 板子对应的底层 core 和刚改的 main.lua 脚本文件。下载到板子中。

点击下载后,我们需要进入 BOOT 模式才能正常下载。

3.3 合宙 TCP/UDP web 测试工具

为了方便测试,合宙提供了免费的不可商用的 TCP/UDP web 测试工具:合宙 TCP/UDP web 工具 (luatos.com)

详细使用说明参考:合宙 TCP/UDP web 测试工具使用说明

3.4 PC 端串口工具

本示例中使用的是sscom 串口工具,硬件使用的连接扩展板,直接接入板子上的main_uart串口。

3.4.1 SSCOM 工具设置:初始配置

四、UDP-UART 透传功能实现的概述

本文教你怎么使用 LuatOS脚本语言,就可以让合宙 4G 模组连接上一个 UDP 服务器,并且模组和服务器之间实现数据的双向传输!

4.1 本教程实现的功能定义是:

  • 通过网页端启动一个 UDP 服务器;
  • 4G 模组插卡开机后,连接上 UDP 服务器;
  • 4G 模组向 UDP 服务器发送 "UDP CONNECT",服务器可以收到数据并且在网页端显示;
  • UDP 服务器网页端向 4G 模组发送 data from UDP server,4G 模组可以收到数据并且通过串口输出显示;

4.2 文章内容引用

4.3 核心脚本代码详解

4.3.1 串口初始化

本文示例:串口使用 MAIN_UART(uart1)

--初始化  
local uartid = 1 -- 根据实际设备选取不同的uartid
uart.setup(
    uartid,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)

4.3.2 数据接收回调:搭建响应桥梁

这里使用 uart.rx 接口,和以 zbuff 的方式存储从 uart1 外部串口收到的数据 -- 收取数据会触发回调, 这里的"receive" 是固定值不要修改。

uart.on(uartid, "receive", function(id, len)
     while true do
-- 接收串口收到的数据,并赋值到uart_rx_buff
        local len = uart.rx(id, uart_rx_buff)  
               if len <= 0 then    -- 接收到的字节长度为0 则退出
                    break
              end
-- 如果已经在线了,则发送socket.EVENT消息来打断任务里的阻塞等待状态,让任务循环继续
               if connect_state then
 sys_send(taskName, socket.EVENT, 0)
               end
        end
  end)

4.3.3 UDP 网络配置:铺就数据通道

----------------------------网络配置---------------------------
local libnet = require "libnet"         -- libnet库,支持tcp、udp协议所用的同步阻塞接口
local ip = "112.125.89.8"               -- 连接udp服务器的ip地址
local port = 43999                 -- 连接udp服务器的端口
local netCB = nil                       -- socket服务的回调函数
local connect_state = false             -- 连接状态 true:已连接   false:未连接
local protocol = true                  -- 通讯协议 true:UDP协议  false:TCP协议
local ssl = false                       -- 加密传输 true:加密     false:不加密
local tx_buff = zbuff.create(1024)      -- 发送至udp服务器的数据
local rx_buff = zbuff.create(1024)      -- 从udp服务器接收到的数据
----------------------------网络配置---------------------------
sys.waitUntil("IP_READY")                -- 等待联网成功
netCB = socket.create(nil, taskName)     -- 创建socket对象
socket.debug(netCB, true)                -- 打开调试日志
socket.config(netCB, nil, protocol, ssl)      -- 此配置为UDP连接,无SSL加密

4.3.4 UDP 至串口透传:数据无缝流转

succ, param, _, _ = socket.rx(netCB, rx_buff)   -- 接收数据
  if not succ then
     log.info("服务器断开了", succ, param, ip, port)
     break
 end
  if rx_buff:used() > 0 then
    log.info("收到服务器数据,长度", rx_buff:used())
    uart.tx(uartid, rx_buff)    -- 从服务器收到的数据转发 从串口输出
    rx_buff:del()
  end

4.3.5 串口至 UDP 反透传:信息双向传递

tx_buff:copy(nil, uart_rx_buff)         -- 将串口数据赋值给UDP待发送数据的buff中
uart_rx_buff:del()                      -- 清除串口buff的数据长度
 if tx_buff:used() > 0 then
 log.info("发送到服务器数据,长度", tx_buff:used())
local result = libnet.tx(taskName, 0, netCB, tx_buff)   -- 发送数据
 if not result then
 log.info("发送失败了", result, param)
 break
end
 end
tx_buff:del()

4.4 成果演示与深度解析:视频 + 图文全面展示

4.4.1 成果运行精彩呈现


4.4.2 演示视频生动展示

4.4.3 完整实例深度剖析

-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "udp_uart"
VERSION = "1.0.0"

log.info("main", PROJECT, VERSION)

-- 引入必要的库文件(lua编写), 内部库不需要require
sys = require("sys")

_G.sysplus = require("sysplus")
local taskName = "UDP_TASK"             -- sysplus库用到的任务名称,也作为任务id

if wdt then
    --添加硬狗防止程序卡死,在支持的设备上启用这个功能
    wdt.init(9000)--初始化watchdog设置为9s
    sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end


local uart_rx_buff = zbuff.create(1024)     -- 串口接收到的数据
----------------------------网络配置---------------------------
local libnet = require "libnet"         -- libnet库,支持tcp、udp协议所用的同步阻塞接口
local ip = "112.125.89.8"               -- 连接udp服务器的ip地址
local port = 43999                 -- 连接udp服务器的端口
local netCB = nil                       -- socket服务的回调函数
local connect_state = false             -- 连接状态 true:已连接   false:未连接
local protocol = true                  -- 通讯协议 true:UDP协议  false:TCP协议
local ssl = false                       -- 加密传输 true:加密     false:不加密
local tx_buff = zbuff.create(1024)      -- 发送至udp服务器的数据
local rx_buff = zbuff.create(1024)      -- 从udp服务器接收到的数据
----------------------------网络配置---------------------------

--初始化
local uartid = 1 -- 根据实际设备选取不同的uartid
uart.setup(
    uartid,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)
function UDP_TASK()
    -- 打印一下连接的目标ip和端口号
    log.info("connect ip: ", ip, "port:", port)

    sys.waitUntil("IP_READY")                -- 等待联网成功
    netCB = socket.create(nil, taskName)     -- 创建socket对象
    socket.debug(netCB, true)                -- 打开调试日志
    socket.config(netCB, nil, protocol, ssl)      -- 此配置为UDP连接,无SSL加密

    -- 串口和UDP服务器的交互逻辑
    while true do
        -- 连接服务器,返回是否连接成功
        local result = libnet.connect(taskName, 15000, netCB, ip, port)
        --查询网络状态
        local status = mobile.status()
        log.info("status", status)

        -- 收取数据会触发回调, 这里的"receive" 是固定值不要修改。
        log.info("connect ip: 等待连接 ",result)        
        uart.on(uartid, "receive", function(id, len)
            while true do
                local len = uart.rx(id, uart_rx_buff)   -- 接收串口收到的数据,并赋值到uart_rx_buff
                if len <= 0 then    -- 接收到的字节长度为0 则退出
                    break
                end
                -- 如果已经在线了,则发送socket.EVENT消息来打断任务里的阻塞等待状态,让任务循环继续
                if connect_state then
                    sys_send(taskName, socket.EVENT, 0)
                end
            end
        end)

        -- 如果连接成功,则改变连接状态参数,并且随便发一条数据到服务器,看服务器能不能收到
        if result then  
            log.info("connect ip: 连接成功")
            connect_state = true
            libnet.tx(taskName, 0, netCB, "UDP CONNECT")
        end

        -- 连接上服务器后,等待处理接收服务器下行至模块的数据 和 发送串口的数据到服务器
        while result do
            succ, param, _, _ = socket.rx(netCB, rx_buff)   -- 接收数据
            if not succ then
                log.info("服务器断开了", succ, param, ip, port)
                break
            end

            if rx_buff:used() > 0 then
                log.info("收到服务器数据,长度", rx_buff:used())

                uart.tx(uartid, rx_buff)    -- 从服务器收到的数据转发 从串口输出
                rx_buff:del()
            end

            tx_buff:copy(nil, uart_rx_buff)         -- 将串口数据赋值给tcp待发送数据的buff中
            uart_rx_buff:del()                      -- 清除串口buff的数据长度
            if tx_buff:used() > 0 then
                log.info("发送到服务器数据,长度", tx_buff:used())
                local result = libnet.tx(taskName, 0, netCB, tx_buff)   -- 发送数据
                if not result then
                    log.info("发送失败了", result, param)
                    break
                end
            end
            tx_buff:del()

            -- 如果zbuff对象长度超出,需要重新分配下空间
            if uart_rx_buff:len() > 1024 then
                uart_rx_buff:resize(1024)
            end
            if tx_buff:len() > 1024 then
                tx_buff:resize(1024)
            end
            if rx_buff:len() > 1024 then
                rx_buff:resize(1024)
            end
            log.info(rtos.meminfo("sys"))   -- 打印系统内存

            -- 阻塞等待新的消息到来,比如服务器下发,串口接收到数据
            result, param = libnet.wait(taskName, 15000, netCB)
            if not result then
                log.info("服务器断开了", result, param)
                break
            end
        end

        -- 服务器断开后的行动,由于while true的影响,所以会再次重新执行进行 重新连接。
        connect_state = false
        libnet.close(d1Name, 5000, netCB)
        tx_buff:clear(0)
        rx_buff:clear(0)
        sys.wait(1000)
    end

end
-- libnet库依赖于sysplus,所以只能通过sysplus.taskInitEx创建的任务函数中运行
sysplus.taskInitEx(UDP_TASK, taskName, netCB)

-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!

五、总结

UDP-UART 汇总:

  • UDP(用户数据报协议)是一种无连接的传输层协议,它提供不可靠的服务,不保证数据包的顺序、完整性或正确性,但具有较低的时延和开销。UDP 常用于需要快速传输且对丢包不太敏感的应用,如实时音视频、在线游戏等。
  • UART(通用异步收发传输器)是一种串行通信协议,用于在计算机和其他设备之间传输数据。UART 通信是异步的,意味着每个数据包的发送和接收是独立的,不需要时钟信号来同步。UART 通信通常用于低速设备之间的连接,如微控制器、传感器等。
  • 将 UDP 与 UART 结合起来,通常是在嵌入式系统或物联网(IoT)应用中,需要将设备上的数据通过网络传输到远程服务器或其他设备时。在这种情况下,UART 可能用于设备内部的串行通信,而 UDP 则用于设备之间的网络通信。例如,一个基于微控制器的设备可能通过 UART 接口收集传感器数据,然后通过 UDP 协议将这些数据发送到远程服务器进行分析或存储。
  • 需要注意的是,UDP 和 UART 是不同层次的协议,UDP 位于传输层,而 UART 位于物理层和数据链路层(在某些上下文中,可能被视为一种简单的通信接口)。它们各自在其层次上发挥作用,但可以在某些应用场景中结合使用以实现设备到网络的通信。

六、常见问题

UDP 是否支持 单向/双向认证

UDP 本身不直接支持单向或双向认证。UDP 是一种无连接的协议,主要用于实时应用,如 IP 电话和视频会议,它不保证数据的可靠交付。虽然 UDP 本身不提供认证功能,但可以在应用层或通过网络设备实现用户认证。这种认证可以在连接建立的起始阶段进行,并且可以通过多种方式实现,包括单向认证(如客户端向服务器提供认证信息)和双向认证(双方相互验证身份)。具体实现方式取决于应用场景和需求。

七、扩展

TCP 和 UDP

TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)和 UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)都是网络层之上的传输层协议,它们在网络通讯中扮演着重要的角色,但有着显著的区别。以下是 TCP 和 UDP 的简化对比:

7.1 连接性:

  • TCP:面向连接。在数据传输之前,需要先建立连接(三次握手),确保数据传输的可靠性。
  • UDP:无连接。数据传输前不需要建立连接,直接发送数据包。

7.2 可靠性:

  • TCP:提供可靠的传输服务。通过确认应答、超时重传、错误校验等机制,确保数据按顺序、无错误地传输。
  • UDP:不保证数据的可靠性。数据包可能会丢失、重复或乱序到达。

7.3 速度:

  • TCP:由于需要建立连接和进行各种可靠性检查,TCP 的传输速度相对较慢。
  • UDP:没有连接建立和可靠性检查的开销,UDP 的传输速度通常更快。

7.4 应用场景:

  • TCP:适用于需要可靠传输的应用场景,如网页浏览、文件传输等。
  • UDP:适用于对实时性要求较高、但对数据可靠性要求不高的应用场景,如视频流、音频流、在线游戏等。

7.5 流量控制:

  • TCP:具有流量控制和拥塞控制机制,能够根据网络状况调整数据传输速率。
  • UDP:没有流量控制和拥塞控制机制,数据发送速率完全取决于应用程序。

7.6 头部开销:

  • TCP:头部开销较大,包含源端口、目的端口、序列号、确认号、窗口大小等多个字段。
  • UDP:头部开销较小,仅包含源端口、目的端口、长度和校验和等字段。