【NodeMCU-ESP8266】Arduino环境下建立UDP服务器及WiFiUDP库常用函数详解

2024-05-15 服务器 0

一、UDP协议概述

1、UDP基本概念

2、UDP的主要特点

3、UDP的基本报文格式

二、ESP8266官方UDP库相关函数详解

三、建立UDP服务器的一般流程

四、ESP8266官方库 UDP 示例程序演示

五、ESP8266官方库 UDP 程序运行说明

1、将程序编译并上传到开发板。

2、运行串口网络数据调试器对UDP服务器进行测试。

一、UDP协议概述

1、UDP基本概念

        UDP（User Datagram Protocol）—— 用户数据报协议，是互联网传输层的一个重要协议。
        UDP为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的 IP 数据包的方法，允许应用程序在所需的层次上架构自己的协议之外，几乎没有做什么特别的事情。
        UDP使用底层的互联网协议来传送报文，同IP一样提供不可靠的无连接数据包传输服务。它不提供报文到达确认、排序、及流量控制等功能。
        由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

2、UDP的主要特点

        （1）UDP是无连接的协议。即在发送数据前不需要建立连接，发送数据结束也没有连接释放，因此减少了开销和发送数据前的时延。
        （2）UDP使用尽最大努力交付。即不保证可靠交付，因此不需要维护复杂的连接状态表。
        （3）UDP是面向数据报的。对于应用层交付的报文，发送方的UDP在添加首部后直接交付给IP层。UDP对应用层交付的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。也就是说，应用层给UDP多长报文，UDP就发多长，一次发送一个报文。
        （4）在接收方的UDP，对于IP层交付的UDP用户数据报，在去除UDP首部后也直接交付应用层，不作任何处理，一次交付一个完整的报文。因此，控制报文长度的工作由应用层负责，应用层要选择合适大小的报文。若报文太长，UDP封装后交给IP层，IP层在传输时可能要进行分片处理，减低了IP层的效率。反之，应用层报文太短，效率也低。
        （5）UDP没有拥塞控制机制。因此，网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用很重要，如IP电话，实时视频会议等，要求源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络拥塞时丢失一部分数据，但不允许数据有太大的时延。
        （6）UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。
        （7）UDP的首部开销小，只有8字节，比TCP的20字节的首部短。

3、UDP的基本报文格式

        UDP报头由4部分组成：
        源端口号：发送方的端口号。
        目的端口号：目的主机的端口号。
        UDP长度：UDP报文的长度，单位字节，包括报头和有效载荷。
        UDP校验和：保证报文完整性和正确性，出错就丢弃。

二、ESP8266官方UDP库相关函数详解

        1. begin(uint16_t port)
        功能：初始化 WiFiUDP库和网络设置，启动WiFiUDP套接字，侦听指定的本地端口
        参数：port，指定侦听的本地端口号
        返回值：1，成功；0，失败，表示没有可用的套接字

// initialize, start listening on specified port. // Returns 1 if successful, 0 if there are no sockets available to useuint8_t begin(uint16_t port) override;

        2. available()
        功能：返回当前数据包中，可从缓冲区读取的字节数。这是已经到达的数据。
        参数：无
        返回值：当前数据包中可用的字节数
        注意：仅在调用解析数据包函数WiFiUDP.parsePacket()之后，才能成功调用此函数。

// Number of bytes remaining in the current packetint available() override;

        3. beginPacket(hostName, port) 或 beginPacket(hostIp, port)
        功能：开始构建数据包，准备写入数据，以发送到指定ip和端口的远程主机。
        参数：远程主机的IP地址（或域名）和端口号
        返回值：如果成功，则返回1；如果提供的IP地址或端口有问题，则返回0。

// Start building up a packet to send to the remote host specific in ip and port// Returns 1 if successful, 0 if there was a problem with the supplied IP address or portint beginPacket(IPAddress ip, uint16_t port) override;// Start building up a packet to send to the remote host specific in host and port// Returns 1 if successful, 0 if there was a problem resolving the hostname or portint beginPacket(const char *host, uint16_t port) override;

        4. endPacket()
        功能：写入UDP数据后，完成数据找包并发送。
        参数：无
        返回值：报文发送成功，返回1；如有错误，返回0

// Finish off this packet and send it// Returns 1 if the packet was sent successfully, 0 if there was an errorint endPacket() override;

        5. write(byte) 或 write(buffer, size)
        功能：前者，将单个字节内容，写入UDP数据包；后者，将缓冲区中指定数目的字节数，写入UDP数据包。
        参数：byte，发送的字节；buffer：数据缓冲区指针；size，缓冲区大小。
        返回值：写入UDP数据包的字节数。
        注意：此函数必须包装在beginPacket()和endPacket()之间。其中，beginPacket()初始化数据包，endPacket()完成数据包的发送。

// Write a single byte into the packetsize_t write(uint8_t) override;// Write size bytes from buffer into the packetsize_t write(const uint8_t *buffer, size_t size) override;

        6. parsePacket ()
        功能：开始处理下一个可用的传入数据包
        参数：无
        返回值：返回数据包的大小（以字节为单位），如无可用的数据包，则返回0
        注意：在使用UDP.read()读取缓冲区之前，必须先行调用parsePacket ()。

// Start processing the next available incoming packet// Returns the size of the packet in bytes, or 0 if no packets are availableint parsePacket() override;

        7. peek()
        功能：从当前数据包中读取并返回下一个字节，但并不向前移动到下一个字节。也就是说，对peek()的连续调用将返回相同的值，与对下一个read()的调用相同。
        返回值：下一个字节或字符；如果没有可供读取的字节则返回-1

// Return the next byte from the current packet without moving on to the next byteint peek() override;

        8. read() 或 read(buffer, len)
        功能：前者，从当前数据包中读取一个字节；后者，从当前数据包中读取 len 个字节的数据，并将其存入buffer指定的缓冲区。
        参数：buffer，将要保存数据的缓冲区指针；len，要求要读取的字节数。
        返回值：前者，读取到的字节数据；后者，读取到的字节数。如无可供读取的字节则返回0
        注意：在函数 parsePacket() 执行成功之后，才能调用此函数

// Read a single byte from the current packetint read() override;// Read up to len bytes from the current packet and place them into buffer// Returns the number of bytes read, or 0 if none are availableint read(unsigned char* buffer, size_t len) override;

9. flush()
功能：等待发送所有传出字符，此调用后输出缓冲区将被清空

// wait for all outgoing characters to be sent, output buffer is empty after this callvoid flush() override;

10. stop()
功能：断开 UDP 连接，释放 UDP 会话期间所使用的资源。

  // Finish with the UDP connection  void stop() override;

        11. remotelP()
        功能：获取发送当前数据包的远程主机的IP地址
        返回值：发送当前数据包的远程主机IP地址（4个字节的IPAddress结构）
        注意：必须在WiFiUDP.parsePacket()之后，才能调用此函数

// Return the IP address of the host who sent the current incoming packetIPAddress remoteIP() override;

        12. remotePort()
        功能：获取远程连接主机的端口号
        返回值：发送当前数据包的远程主机的端口号
        注意：必须在WiFiUDP.parsePacket()之后，才能调用此函数

// Return the port of the host who sent the current incoming packetuint16_t remotePort() override;

三、建立UDP服务器的一般流程

        1、将ESP8266模组或开发板设置在station工作模式：WiFi.mode(WIFI_STA)。
        2、将ESP8266模组或开发板接入到WIFI 网络：WiFi.begin(SSID,PSSD)。
        3、实例化 WiFiUDP对象，开始在指定侦听端口号建立UDP连接，启动自动侦听。
        4、等待输入的UDP包，处理收到的数据，并回复客户端请求的信息。

四、ESP8266官方库 UDP 示例程序演示

启动 ArduinoIDE，从菜单栏依次点选【文件】——【示例】——【ESP8266WiFi】——【UDP】，在IDE窗口主界面打开官方 UDP 示例程序。
将程序编译/上传到NodeMCU-ESP8266开发板。

/*  UDPSendReceive.pde:  This sketch receives UDP message strings, prints them to the serial port  and sends an "acknowledge" string back to the sender  A Processing sketch is included at the end of file that can be used to send  and received messages for testing with a computer.  created 21 Aug 2010  by Michael Margolis  This code is in the public domain.  adapted from Ethernet library examples*/#include <ESP8266WiFi.h>#include <WiFiUdp.h>#ifndef STASSID#define STASSID "xcb940"        //将SSID更改成可用的名称#define STAPSK "87589940abc"    //更改成可用的密码#endifunsigned int localPort = 8888;  // local port to listen on// buffers for receiving and sending datachar packetBuffer[UDP_TX_PACKET_MAX_SIZE + 1];  // buffer to hold incoming packet,char ReplyBuffer[] = "acknowledged/r/n";        // a string to send backWiFiUDP Udp;void setup() {  Serial.begin(115200);  WiFi.mode(WIFI_STA);  WiFi.begin(STASSID, STAPSK);  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {    Serial.print('.');    delay(500);  }  Serial.print("Connected! IP address: ");  Serial.println(WiFi.localIP());  Serial.printf("UDP server on port %d/n", localPort);  Udp.begin(localPort);}void loop() {  // if there's data available, read a packet  int packetSize = Udp.parsePacket();  if (packetSize) {    Serial.printf("Received packet of size %d from %s:%d/n    (to %s:%d, free heap = %d B)/n", packetSize, Udp.remoteIP().toString().c_str(), Udp.remotePort(), Udp.destinationIP().toString().c_str(), Udp.localPort(), ESP.getFreeHeap());    // read the packet into packetBufffer    int n = Udp.read(packetBuffer, UDP_TX_PACKET_MAX_SIZE);    packetBuffer[n] = 0;    Serial.println("Contents:");    Serial.println(packetBuffer);    // send a reply, to the IP address and port that sent us the packet we received    Udp.beginPacket(Udp.remoteIP(), Udp.remotePort());    Udp.write(ReplyBuffer);    Udp.endPacket();  }}