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。”
参考：硬件环境清单，准备以及组装好硬件环境。
三、准备软件环境
3.1 合宙工业引擎相关
“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_V10001_Air8101.soc；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 Air8101 开发板，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air8101 开发板中。
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 "helloworld"，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 "123456"，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
- Air8101 开发板软硬件资料 ： 等后续文档补充后，在此引用
- 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.read 接口，接收从 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 1 do
local s = uart.read(1, 1024)
if #s == 0 then
break
end
sys.publish("sc_txrx", "uplink", s)
if #s == len then
break
end
end
end)
4.3.3 UDP 网络配置：铺就数据通道
----------------------------------------------网络配置-------------------------------------------------
local host = "112.125.89.8" -- 服务器ip或者域名, 都可以的
local port = 47500 -- 服务器端口号
local is_udp = true -- 如果是UDP, 要改成true, false就是TCP
local is_tls = false -- 加密与否, 要看服务器的实际情况
=======================================================
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()
4.3.6 UDP 心跳机制：30 秒内没有数据上传/下发，向 UDP 服务器发送一个日期心跳包
local result, tp, data = sys.waitUntil(topic, 30000)
log.info("event", result, tp, data)
if not result then
-- 等很久了,没数据上传/下发, 发个日期心跳包吧
table.insert(txqueue, os.date())
sys_send(taskName, socket.EVENT, 0)
.......
4.4 成果演示与深度解析：图文展示
4.4.1 成果运行精彩呈现
打开 TCP/UDP 测试服务器
配置连接 UDP 服务器的 ip 和端口号
local host = "112.125.89.8" -- 服务器ip或者域名, 都可以的
local port = 47674 -- 服务器端口号
local is_udp = true -- 如果是UDP, 要改成true, false就是TCP
local is_tls = false -- 加密与否, 要看服务器的实际情况
Air8101 连上本地 wifi 后 连接 UDP 服务器
成功连上 UDP 服务器后，Air8101 会向服务器发送"helloworld"
服务器下发数据，Air8101 收到数据并且通过串口输出显示
用串口工具发送数据给 Air8101，Air8101 接收数据后向 UDP 服务器发送 "hello luatos"，服务器可以收到数据并且在网页端显示
心跳，30 秒内没有数据上传/下发，向 UDP 服务器发送一个日期心跳包
4.4.2 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")
sysplus = require("sysplus")
libnet = require "libnet"
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
--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
)
--=============================================================
-- 测试网站 https://netlab.luatos.com/ 点击 打开TCP 获取测试端口号
-- 要按实际情况修改
local host = "112.125.89.8" -- 服务器ip或者域名, 都可以的
local port = 47500 -- 服务器端口号
local is_udp = true -- 如果是UDP, 要改成true, false就是TCP
local is_tls = false -- 加密与否, 要看服务器的实际情况
--=============================================================
-- 处理未识别的网络消息
local function netCB(msg)
log.info("未处理消息", msg[1], msg[2], msg[3], msg[4])
end
-- 统一联网函数
sys.taskInit(function()
local res,data
-----------------------------
-- 统一联网函数, 可自行删减
----------------------------
----- time 为修复网络时间过长而修订为 while主体，增加网络状态判断
while true do
if wlan and wlan.connect then
-- wifi 联网,要根据实际情况修改ssid和password!!
local ssid = "kfyy_7890"
local password = "kfyy123456"
log.info("wifi", ssid, password)
-- TODO 改成自动配网
wlan.init()
wlan.setMode(wlan.STATION) -- 默认也是这个模式,不调用也可以
wlan.connect(ssid, password, 1)
-- 在网络连接成功时，会发布一个系统消息 IP_READY，而
-- sys.waitUntil 订阅此消息，能在设置的时间内收到此消息
-- 即表示网络连接成功。
res, data = sys.waitUntil("IP_READY", 30000)
log.info("wlan", "IP_READY", result, data)
else
-- 其他不认识的bsp, 循环提示一下吧
while 1 do
sys.wait(1000)
log.info("bsp", "本bsp可能未适配网络层, 请查证")
end
end
if res == true then
log.info("已联网")
sys.publish("net_ready")
end
----- time 为修复网络时间过长而修订为 while主体，增加网络状态判断
while wlan and wlan.ready() do
sys.wait(4000)
end
end
end)
-- 演示task
local function sockettest()
-- 等待联网
sys.waitUntil("net_ready")
-- sntp时间同步
socket.sntp()
-- 开始正在的逻辑, 发起socket链接,等待数据/上报心跳
local taskName = "sc"
local topic = taskName .. "_txrx"
log.info("topic", topic)
local txqueue = {}
sysplus.taskInitEx(sockettask, taskName, netCB, taskName, txqueue, topic)
while 1 do
local result, tp, data = sys.waitUntil(topic, 30000)
log.info("event", result, tp, data)
if not result then
-- 等待30秒,没数据上传/下发, 发个日期心跳包吧
table.insert(txqueue, os.date())
sys_send(taskName, socket.EVENT, 0)
elseif tp == "uplink" then
-- 上行数据, 主动上报的数据,那就发送呀
table.insert(txqueue, data)
sys_send(taskName, socket.EVENT, 0)
elseif tp == "downlink" then
-- 下行数据,接收的数据
-- 其他代码可以通过 sys.publish()
log.info("socket", "收到下发的数据了", #data)
end
end
end
function sockettask(d1Name, txqueue, rxtopic)
-- 打印准备连接的服务器信息
log.info("socket", host, port, is_udp and "UDP" or "TCP", is_tls and "TLS" or "RAW")
-- 准备好所需要的接收缓冲区
local rx_buff = zbuff.create(1024)
local netc = socket.create(nil, d1Name)
socket.config(netc, nil, is_udp, is_tls)
log.info("任务id", d1Name)
while true do
-- 连接服务器, 15秒超时
log.info("socket", "开始连接服务器")
sysplus.cleanMsg(d1Name)
local result = libnet.connect(d1Name, 15000, netc, host, port)
if result then
log.info("socket", "服务器连上了")
libnet.tx(d1Name, 0, netc, "helloworld")
else
log.info("socket", "服务器没连上了!!!")
end
while result do
-- 连接成功之后, 先尝试接收
-- log.info("socket", "调用rx接收数据")
local succ, param = socket.rx(netc, rx_buff)
if not succ then
log.info("服务器断开了", succ, param, ip, port)
break
end
-- 如果服务器有下发数据, used()就必然大于0, 进行处理
if rx_buff:used() > 0 then
log.info("socket", "收到服务器数据，长度", rx_buff:used())
local data = rx_buff:query() -- 获取数据
sys.publish(rxtopic, "downlink", data)
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
-- log.info("libnet", "调用wait开始等待消息")
-- 等待事件, 例如: 服务器下发数据, 有数据准备上报, 服务器断开连接
result, param, param2 = libnet.wait(d1Name, 15000, netc)
log.info("libnet", "wait", result, param, param2)
if not result then
-- 网络异常了, 那就断开了, 执行清理工作
log.info("socket", "服务器断开了", result, param)
break
elseif #txqueue > 0 then
-- 有待上报的数据,处理之
while #txqueue > 0 do
local data = table.remove(txqueue, 1)
if not data then
break
end
result,param = libnet.tx(d1Name, 15000, netc,data)
-- log.info("libnet", "发送数据的结果", result, param)
if not result then
log.info("socket", "数据发送异常", result, param)
break
end
end
end
-- 循环尾部, 继续下一轮循环
end
-- 能到这里, 要么服务器断开连接, 要么上报(tx)失败, 或者是主动退出
libnet.close(d1Name, 5000, netc)
-- log.info(rtos.meminfo("sys"))
sys.wait(30000) -- 这是重连时长, 自行调整
end
end
sys.taskInit(sockettest)
-- -- 演示定时上报数据, 不需要就注释掉
-- sys.taskInit(function()
-- sys.wait(5000)
-- while 1 do
-- sys.publish("sc_txrx", "uplink", os.date())
-- sys.wait(3000)
-- end
-- end)
-- 演示uart数据上报, 不需要就注释掉
uart.on(uartid, "receive", function(id, len)
while 1 do
local s = uart.read(1, 1024)
if #s == 0 then
break
end
sys.publish("sc_txrx", "uplink", s)
if #s == len then
break
end
end
end)
-- 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-UAR 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。数据传输并不建立或维护一个端到端的连接，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。