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 Air700ECQ 开发板
使用 Air700ECQ 开发板,如下图所示:
淘宝购买链接:Air700ECQ 开发板淘宝购买链接 ;
此开发板的详细使用说明参考:Air700ECQ 产品手册 中的 《开发板EVB-Air700ECQ-IO使用手册VX.X.X.pdf》,写这篇文章时最新版本的使用说明为:开发板EVB-Air700ECQ-IO使用手册V1.0.0.pdf ;开发板使用过程中遇到任何问题,可以直接参考这份使用说明 pdf 文档。
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 Air700ECQ 开发板和 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 Air700ECQ 开发板)。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 Air700ECQ 开发板;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 Air700ECQ 开发板,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,直至听到“咔嚓”一声,表示 SIM 卡已正确安装到位。
2.5.2 USB 数据线,连接电脑和 Air700ECQ 开发板,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_V2001_Air700ECQ.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
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
在下载之前,要用模组的 BOOT 引脚触发下载, 也就是说,要把 4G 模组的 BOOT 引脚拉到 1.8v,或者直接把 BOOT 引脚和 VDD_EXT 引脚相连。我们要在按下 BOOT 按键时让模块开机,就可以进入下载模式了。
具体到 Air700ECQ 开发板,
- 当我们模块没开机时,按着 BOOT 键然后长按 POW 开机。
- 当我们模块开机时,按着 BOOT 键然后点按重启键即可。
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,如果是正常开机运行(没有进入boot下载模式),此时在电脑的设备管理器中,查看串口设备,如下图所示(会出现3个或者4个端口): - 如果是进入了boot下载模式,此时在电脑的设备管理器中,查看串口设备,如下图所示(会出现1个端口): - 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 Air700ECQ 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
LLCOM 的下载链接:LLCOM ,详细使用说明可以直接参考下载网站。
- 串口接线方式:Air780 提供三个 Uart.
MAIN_UART:通用串口,可用于 AT 命令和数据传输 最大波特率 921600bps,默认波特率自适应 9600-115200bps 支持硬件流控(RTS/CTS)
AUX_UART:通用串口
DBG_UART:用于输出调试信息
注意:
- 以上 PinOut 图示, 对应的 V1.8 的开发板,版本号在板子丝印上可查阅。
- V1.4 的开发板, 由于 LCD 脚有差异, 图示的 LCD_RS/LCD_CLK 实际位于开发板 管脚编号 06/05 的 UART2/AUX_UART 脚, 不在编号 11/14 脚。
- V1.8 的开发板 17 脚改为 VBAT.
3.4.1 LLCOM 工具设置:初始配置
3.4.2 数据发送前的配置
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
- Air780E 开发板软硬件资料 : Air700ECQ 产品手册
- 以上接口函数不做详细介绍,可通过此链接查看具体介绍:socket - 网络接口 - LuatOS 文档
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 = 46139 -- 连接UDP服务器的端口
local netCB = nil -- socket服务的返回值
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
=======================================================
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 = "scdemo"
VERSION = "1.0.0"
log.info("main", PROJECT, VERSION)
-- 一定要添加sys.lua !!!!
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 = 46139 -- 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
==============================================================
--Uart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()
-- 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。
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