UDP Server and Client

简介

用户数据报协议（User Datagram Protocol），提供无连接、不可靠的传输服务。无连接即发送之前不需要建立链接，因此减少了开销和发送数据之前的时延，但是在数据传输过程中会导致差错丢失。UDP是面向报文的，发送方UDP对应用程序交下来的报文，在简单添加首部之后就直接交付给网络层。

1. UDP是无连接的，发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延；

2. UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表；

3. UDP是面向报文的。UDP对应用程序交下来的报文，即不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP一次交付一个完整的报文；

4. UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞时不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用很重要，很适合多媒体通信的要求；

5. UDP支持一对一、一对多、多对一和多对的的交互通信；

6. UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节首部要短。

面向报文的UDP:

• 发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。 UDP对应用层交下来的报文，即不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界；

• 应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送，即一次发送一个报文；

• 接收方UDP对IP层交上来的UDP数据报，在去除首付后就原封不动的交付上层的应用程序，一次交付一个完整的报文；

• 应用程序必须选择一个合适大小的数据报：

  • 若报文太长，UDP把它交给IP层后，IP层在进行传输时可能进行分片，这会降低IP层的效率；

  • 若报文太短，UDP把它交给IP层后，会使IP数据报的首部的相对长度过大，这也会降低IP层的效率。

TCP和UDP的区别

• TCP是面向连接的，需要事先建立连接(三次握手，释放需要四次挥手)，而UDP是无连接的；

• TCP有多种手段来保证传输质量(流量控制、差错检验、拥塞控制、对数据报排序等)，一般用于对数据准确性要求高的FTP、HTTP、邮件系统的POP3，SMTP、远程登录等。UDP不对数据进行排序，没有拥塞控制，一般用于准确度不高的语音、视频通信；

• UDP传送数据较TCP快速，因为系统开销也少，无需各项保质控制(TCP在转移数据时必须创建（并保持）一个连接。这个连接给通信进程增加了开销，让它比UDP速度要慢)；

• TCP通信是一对一的，而UDP是一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信；

• TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流；UDP是面向报文的。

端口

在网络技术中，端口(Port)大致有两种意思：一是物理意义上的端口，比如，ADSL Modem、集线器、交换机、路由器用于连接其他网络设备的接口，如RJ-45端口、SC端口等等；二是逻辑意义上的端口，一般是指TCP/IP协议中的端口，端口号的范围从0到65535，比如用于浏览网页服务的80端口，用于FTP服务的21端口等等。

• 每个TCP报文头部都包含源端口号（source port）和目的端口号（destination port），用于标识和区分源端设备和目的端设备的应用进程。

• 在TCP/IP协议栈中，源端口号和目的端口号分别与源IP地址和目的IP地址组成套接字（socket），唯一的确定一条TCP连接。

• 相对于TCP报文，UDP报文只有少量的字段：源端口号、目的端口号、长度、校验和等，各个字段功能和TCP报文相应字段一样。

socket

socket这个函数的功能是向内核申请一个套接字

#define socket(domain,type,protocol)   lwip_socket(domain,type,protocol)

int lwip_socket(int domain, int type, int protocol);

#define AF_UNSPEC       0
#define AF_INET         2
#if LWIP_IPV6
#define AF_INET6        10
#else /* LWIP_IPV6 */
#define AF_INET6        AF_UNSPEC

/* Socket 服务类型 (TCP/UDP/RAW) */
#define SOCK_STREAM 1
#define SOCK_DGRAM 2
#define SOCK_RAW 3

参数 domain ： 表示该套接字使用的协议簇，对于 TCP/IP 协议来说，IPv4为 AF_INET；IPv6为AF_INET6。 参数 type ： 指定了套接字使用的服务类型，可能的类型有 3 种：

1. SOCK_STREAM：提供可靠的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的 Socket 服务，多 用于资料（如文件）传输，如 TCP 协议。

2. SOCK_DGRAM：是提供无保障的面向消息的 Socket 服务，主要用于在网络上发广播信息， 如 UDP 协议，提供无连接不可靠的数据报交付服务。

3. SOCK_RAW：表示原始套接字，它允许应用程序访问网络层的原始数据包，这个套接字用 得比较少，暂时不用理会它。

参数 protocol ： 指定了套接字使用的协议，在 IPv4 中，只有 TCP 协议提供 SOCK_STREAM 这种可靠的服务，只有 UDP 协议提供 SOCK_DGRAM 服务，对于这两种协议，protocol 的值均为 0。 当申请套接字成功的时候，该函数返回一个 int 类型的值，也是 Socket 描述符，用户通过这个值 可以索引到一个 Socket 连接结构——lwip_sock，当申请套接字失败时，该函数返回-1。

sendto

这个函数主要是用于 UDP 协议传输数据中，它向另一端的 UDP 主机发送一个 UDP 报文，参数 dataptr 指定了要发送数据的起始地址，而 参数size 则指定数据的长度，参数 flag 指定了发送时候的一些处理，比如外带数据等，此时我们不需要理会它，一般设置为 0 即可，参数 to 是一个指向 sockaddr 结构体的指针，在这里需要我们自己提供远端主机的 IP 地址与端口号，并且用 tolen 参数指定这些信息的长度，具体如下

#define sendto(s,dataptr,size,flags,to,tolen)  lwip_sendto(s,dataptr,size,flags,to,tolen)
ssize_t lwip_sendto(int s, const void *data, size_t size, int flags,const struct sockaddr *to, socklen_t tolen)

read()、recv、recvfrom

read() 与 recv() 函数的核心是调用 recvfrom() 函数，recv() 与 read() 函数用于从 Socket 中接收数据，它们可以是 TCP 协议和 UDP 协议。

#define read(s,mem,len)   lwip_read(s,mem,len)
ssize_t lwip_read(int s, void *mem, size_t len)
{
return lwip_recvfrom(s, mem, len, 0, NULL, NULL);
}

#define recv(s,mem,len,flags)  lwip_recv(s,mem,len,flags)
ssize_t lwip_recv(int s, void *mem, size_t len, int flags)
{
return lwip_recvfrom(s, mem, len, flags, NULL, NULL);
}

#define recvfrom(s,mem,len,flags,from,fromlen)  lwip_recvfrom(s,mem,len,flags,from,fromlen)
ssize_t lwip_recvfrom(int s, void *mem, size_t len, int flags,struct sockaddr *from, socklen_t *fromlen)

**men 参数 ** 记录了接收数据的缓存起始地址，

len参数 用于指定接收数据的最大长度，如果函数能正确接收到数据，将会返回一个接收到数据的长度，否则将返回-1，若返回值为 0，表示连接已经终止，应用程序可以根据返回的值进行不一样的操作。

flags 参数我们暂时可以直接忽略它，设置为 0 即可。 注意，如果接收的数据大于用户提供的缓存区，那么多余的数据会被直接丢弃。

close

close() 函数是用于关闭一个指定的套接字，在关闭套接字后，将无法使用对应的套接字描述符索引到连接结构，该函数的本质是对 netconn_delete() 函数的封装（真正处理的函数是 net-conn_prepare_delete()），如果连接是 TCP 协议，将产生一个请求终止连接的报文发送到对端主机中，如果是 UDP 协议，将直接释放 UDP 控制块的内容，具体如下

#define close(s)   lwip_close(s)
int lwip_close(int s)

connect

connect这个函数用于客户端中，将 Socket 与远端 IP 地址、端口号进行绑定，在 TCP 客户端连接中，调用这个函数将发生握手过程（会发送一个 TCP 连接请求），并最终建立新的 TCP 连接，而对于 UDP协议来说，调用这个函数只是在 UDP 控制块中记录远端 IP 地址与端口号，而不发送任何数据，参数信息与 bind() 函数是一样的

#define connect(s,name,namelen)  lwip_connect(s,name,namelen)
intlwip_connect(int s,const struct sockaddr *name,socklen_t namelen);

send

send() 函数可以用于 UDP 协议和 TCP 连接发送数据。在调用 send() 函数之前，必须使用 connect()函数将远端主机的 IP 地址、端口号与 Socket 连接结构进行绑定。对于 UDP 协议，send() 函数将调用 lwip_sendto() 函数发送数据，而对于 TCP 协议，将调用 netconn_write_partly() 函数发送数据。相对于 sendto() 函数，参数基本是没啥区别的，但无需我们设置远端主机的信息，更加方便操作，因此这个函数在实际中使用也是很多的，具体

#define send(s,dataptr,size,flags)   lwip_send(s,dataptr,size,flags)
ssize_t lwip_send(int s, const void *data, size_t size, int flags)

bind

bind该函数用于服务器端绑定套接字与网卡信息

#define bind(s,name,namelen)   lwip_bind(s,name,namelen)
int lwip_bind(int s,const struct sockaddr *name,socklen_t namelen);

参数 s 是表示要绑定的 Socket 套接字，注意了，这个套接字必须是从 socket() 函数中返回的索引，否则将无法完成绑定操作。

参数 name 是一个指向 sockaddr 结构体的指针，其中包含了网卡的 IP 地址、端口号等重要的信息，LwIP 为了更好描述这些信息，使用了 sockaddr 结构体来定义了必要的信息的字段，它常被用于Socket API 的很多函数中，我们在使用 bind() 的时候，只需要直接填写相关字段即可，sockaddr 结构体如下

参数 s 是表示要绑定的 Socket 套接字，注意了，这个套接字必须是从 socket() 函数中返回的索引，否则将无法完成绑定操作。 参数 name 是一个指向 sockaddr 结构体的指针，其中包含了网卡的 IP 地址、端口号等重要的信息，LwIP 为了更好描述这些信息，使用了 sockaddr 结构体来定义了必要的信息的字段，它常被用于Socket API 的很多函数中，我们在使用 bind() 的时候，只需要直接填写相关字段即可，sockaddr 结构体如下

struct sockaddr {
  u8_t        sa_len;        /*长度*/
  sa_family_t sa_family;     /*协议簇*/
  char        sa_data[14];   /* 连续的 14 字节信息 */
};

我们需要填写的 IP 地址与端口号等信息，都在 sa_data 连续的 14 字节信息里面，但是这个数据对我们不友好，因此 LwIP还定义了另一个对开发者更加友好的结构体——sockaddr_in，我们一般也是用这个结构体

struct sockaddr_in
{
	u8_t sin_len;
	sa_family_t sin_family;
	in_port_t sin_port;
	struct in_addr sin_addr;
	#define SIN_ZERO_LEN 8
	char sin_zero[SIN_ZERO_LEN];
};

这个结构体的前两个字段是与 sockaddr 结构体的前两个字段一致，而剩下的字段就是 sa_data 连续的 14 字节信息里面的内容，只不过从新定义了成员变量而已，sin_port 字段是我们需要填写的端口号信息，sin_addr 字段是我们需要填写的 IP 地址信息，剩下 sin_zero 区域的 8 字节保留未用。 但在本章实验中为了兼容IPv6，所以初始定义时都是使用sockaddr_in6结构体，如下所示

struct sockaddr_in6 {
  u8_t            sin6_len;      /* length of this structure    */
  sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6                    */
  in_port_t       sin6_port;     /* Transport layer port #      */
  u32_t           sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information       */
  struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address                */
  u32_t           sin6_scope_id; /* Set of interfaces for scope */
};

如果使用的是IPv4则会强制转化为sockaddr_in

struct sockaddr_in6 dest_addr;
if (addr_family == AF_INET)
{
   struct sockaddr_in *dest_addr_ip4 = (struct sockaddr_in *)&dest_addr;
}

listen

该函数只能在 TCP 服务器中使用，让服务器进入监听状态，等待远端的连接请求，LwIP 中可以接收多个客户端的连接，因此参数 backlog 指定了请求队列的大小，具体如下

#define listen(s,backlog)   lwip_listen(s,backlog)
intlwip_listen(int s, int backlog);

参数 s 是表示要绑定的 Socket 套接字，注意了，这个套接字必须是从 socket() 函数中返回的索引，否则将无法完成绑定操作。

参数 backlog指定服务器可连接客户端的数量。

accept

accept() 函数用于 TCP 服务器中，等待着远程主机的连接请求，并且建立一个新的 TCP 连接，在调用这个函数之前需要通过调用 listen() 函数让服务器进入监听状态。accept() 函数的调用会阻塞应用线程直至与远程主机建立 TCP 连接。同时函数返回一个 int 类型的套接字描述符，根据它能索引到连接结构，如果连接失败则返回-1，具体如下

#define accept(s,addr,addrlen)   lwip_accept(s,addr,addrlen)
int  lwip_accept(int s,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen)

参数 s 是表示要绑定的 Socket 套接字，注意了，这个套接字必须是从 socket() 函数中返回的索引，否则将无法完成绑定操作。

参数 addr 是一个返回结果参数，其实就是远程主机的地址与端口号等信息，当新的连接已经建立后，远端主机的信息将保存在连接句柄中，它能够唯一的标识某个连接对象。

setsockopt

看名字就知道，这个函数是用于设置套接字的一些选项的，参数 level 有多个常见的选项，如： • SOL_SOCKET：表示在 Socket 层。 • IPPROTO_TCP：表示在 TCP 层。 • IPPROTO_IP：表示在 IP 层。 参数 optname 表示该层的具体选项名称，比如：

1. 对于 SOL_SOCKET 选项，可以是 SO_REUSEADDR（允许重用本地地址和端口） 、SO_SNDTIMEO（设置发送数据超时时间）、SO_SNDTIMEO（设置接收数据超时时间）、SO_RCVBUF（设置发送数据缓冲区大小）等等。

2. 对于 IPPROTO_TCP 选项，可以是 TCP_NODELAY（不使用 Nagle 算法）、TCP_KEEPALIVE （设置 TCP 保活时间）等等。

3. 对于 IPPROTO_IP 选项，可以是 IP_TTL（设置生存时间）、IP_TOS（设置服务类型）等等。

#define setsockopt(s,level,optname,opval,optlen) \
lwip_setsockopt(s,level,optname,opval,optlen)
int
lwip_setsockopt(int s,
int level,
int optname,
const void *optval,
socklen_t optlen)

网络调试助手netcat

Netcat 是一款简单的 Unix 工具，使用 UDP 和 TCP 协议。 它是一个可靠的容易被其他程序所启用的后台操作工具，同时它也被用作网络的测试工具或黑客工具。 使用它你可以轻易的建立任何连接。内建有很多实用的工具。

输入：nc -h查看使用帮助。

实验示例

1. ESP32作TCP server，网络调试助手作TCP client

2. ESP32作TCP client，网络调试助手做TCP server

所需硬件

ESP32开发板、microUSB 线、电脑。

配置项目

命令行界面

cd /示例对应的目录
get-idf
idf.py menuconfig

Clion界面

选择示例的文件夹并用Clion打开

添加各项配置（参考Clion下ESP-IDF的配置与开发）

选择 menuconfig 并运行

配置WIFI连接手机热点，电脑和ESP32都是一个热点

设置WiFi SSID

设置WiFi Password

选择 示例名.elf|Debug 并运行

构建和烧录

构建项目并将其烧写到板上，然后运行监控工具查看串行输出：

命令行界面：

idf.py -p PORT flash monitor

（要退出串行监视器，请键入Ctrl-]。）

Clion界面：

选择 flash 并运行

选择 monitor 并运行

示例输出

ESP32作TCP server，网络调试助手作TCP client时，在烧录完成代码开始运行并打开监视器后，新打开一个终端，输入

nc (esp32链接wifi后自身的ip地址) (你设置的端口，默认为3333)

然后即可向ESP32发送字符，ESP32收到后会在监视器中显示，如图：

ESP32作TCP client，网络调试助手做TCP server，请在配置时设置ip和端口，并且保证ip为电脑的ip，使用以下代码查看,如果报错提示未安装安装即可，

如下inet后的就是本机ip地址，请以自己的为准！！！

@ubuntu:~$ ifconfig
ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.131.133  netmask 255.255.255.3  broadcast 192.168.31.255
        inet6 fe80::68cbe0:7248  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:82:fd:0e  txqueuelen 1000  (以太网)
        RX packets 950  bytes 225709 (225.7 KB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 669  bytes 83405 (83.4 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=7<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (本地环回)
        RX packets 206  bytes 18250 (18.2 KB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 206  bytes 18250 (18.2 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

在烧录完成代码开始运行并打开监视器后，新打开一个终端，输入

nc -l 3333（对应自设置的端口，默认3333）

然后即可收到ESP32发送的字符，ESP32也能收到电脑端发送的并会在监视器中显示，如图。