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

参考：硬件环境清单第二章节内容，准备以及组装好硬件环境。

三、软件环境

3.1 合宙模组相关

“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。

1. Luatools工具；

2. 内核固件文件（底层core固件文件）：LuatOS-SoC_V2002_Air780EP；参考项目使用的内核固件；

3. luatos需要的脚本和资源文件

脚本和资源文件右键点我,另存为,下载完整压缩文件包

lib脚本文件：使用Luatools烧录时，勾选添加默认lib 选项，使用默认lib脚本文件；

准备好软件环境之后，接下来查看如何烧录项目文件到Air780EP核心板，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到Air780EP核心板中。

3.2 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。

3.3 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。

3.3.1 LLCOM 工具设置：初始配置

3.3.2 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

Air780EP 开发板软硬件资料： Air780EP 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。

给读者的话

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