ESP32 MicroPython開發之旅網路篇⑧ ——UDP通信，客戶端與服務器-有解無憂

文章目錄

- ??UDP通信，客戶端與服務器??
- - 📢TCP與UDP優缺點
  - ??UDPClient —— 客戶端請求
  - - - 1.1 創建STA模式
      - 1.2 激活station模式
      - 1.3 連接到您的WiFi網路
      - 1.4 檢查連接是否建立
      - 1.5 創建socket物件
      - 1.6 構建ServerIP+ServerPort
      - 1.7 發起請求
      - 1.8 回應請求
      - 1.9 關閉socket
  - ?UDPClient 示例
  - - 本地局域網PC機構建UDPServer，ESP32訪問它
  - ??UDPServer —— 服務端回應
  - - - 2.1 創建STA模式
      - 2.2 激活station模式
      - 2.3 連接到您的WiFi網路
      - 2.4 檢查連接是否建立
      - 2.5 創建socket物件
      - 2.6 構建ServerIP+ServerPort
      - 2.7 系結地址
      - 2.8 回應請求
      - 2.9 關閉socket
  - ?UDPServer 示例
  - - 本地局域網PC機構建UDPClient，訪問ESP32 UDPServer

??博主介紹??
😬 作者：單片機菜鳥哥
👉火爆博客：ESP8266 Arduino教程

零基礎從入門到熟悉Arduino平臺下開發ESP8266，同時會涉及網路編程知識，專欄文章累計超過60篇，分為基礎篇、網路篇、應用篇、高級篇，涵蓋ESP8266大部分開發技巧，

👻最近更新：ESP32 MicroPython應用系列

講解Python在esp32上的應用，包括網路請求、爬蟲

??UDP通信，客戶端與服務器??

前面的博文中，博主講述的內容基本上都是Tcp以及Http通信的內容，那么我們當然得講解一下Tcp的另外一個兄弟——UDP，

📢TCP與UDP優缺點

TCP是面向連接，也就是發送資料之前是需要建立連接;UDP是面向無連接的，即發送資料之前不需要建立連接，

首先 UDP 是不需要和 TCP一樣在發送資料前進行三次握手建立連接的，想發資料就可以開始發送了，并且也只是資料報文的搬運工，不會對資料報文進行任何拆分和拼接操作，（也就是每個資料報之間是獨立的，沒有任何關聯先后順序，因此應用層資料必須選擇合適大小的報文資料，）
在網路資料傳輸模型中，發送端應用層將資料傳遞給傳輸層的 UDP，UDP 協議只會給資料增加一個 UDP 頭標識下是 UDP 協議，然后就傳遞給網路IP層了
在接收端，網路IP層將資料傳遞給傳輸層，UDP 只去除 IP 報文頭就傳遞給應用層，不會任何拼接操作

TCP提供可靠的服務，也就是說，通過TCP連接傳送的資料，無差錯，不丟失，不重復，且按序到達;UDP盡最大努力做到可靠，即不保證絕對可靠，

首先不可靠性體現在無連接上，通信都不需要建立連接，想發就發，這樣的情況肯定不可靠，
并且收到什么資料就傳遞什么資料，并且也不會備份資料，發送資料也不會關心對方是否已經正確接收到資料了，
UDP 沒有擁塞控制，一直會以恒定的速度發送資料，即使網路條件不好，也不會對發送速率進行調整，這樣實作的弊端就是在網路條件不好的情況下可能會導致丟包，但是優點也很明顯，在某些實時性要求高的場景（比如電話會議）就需要使用 UDP 而不是 TCP，因為丟棄了一些資料無關緊要，

UDP具有較好的實時性，作業效率比TCP高，適用于對高速傳輸和實時性有較高的通信或廣播通信，

UDP頭部開銷小，傳輸資料報文時是很高效的

每一條TCP連接只能是點到點的;UDP支持一對一，一對多，多對一和多對多的互動通信，
TCP對系統資源要求較多，UDP對系統資源要求較少，

UDP 是 User Datagram Protocol 的簡稱，是一種無連接、不可靠的協議，每一個資料報都是一個獨立的資訊，它在網路上以任何可能的路徑傳到目的地，但不保證是否真的傳到目的地、是否程序中真的保證了資料的完整性！

UDP就好像無手機時代，你要去探望親戚，但是你不知道親戚有沒有在家（也就是說可能會丟包）；

TCP就好像有手機時代，你要去探望親戚，你會打電話過去提前溝通好，你會確保親戚在家里才會買東西過去探望（資料不會丟包）；

建議看這篇之前，可以先看看 ESP32 MicroPython開發之旅網路篇④ ——TCP通信核心思想需要理解，

在ESP32 MicroPython中，進行TCP/UDP通訊主要用到了usocket(套接字)模塊，

MicroPython 提供豐富的網路功能，可以加快物聯網應用的開發速度，了解網路功能之后，就可以將產品輕松的接入網路，實作更多物聯網功能，
在使用 MicroPython 進行網路編程首先需要了解的就是 usocket 模塊，模塊提供對BSD套接字介面的訪問，

而在TCP/UDP基礎上我們又會TCPClient、TCPServer、UDPClient、UDPServer，TCP相關已經講解，本篇重點講解UDP相關，

目前基于UDP的應用層協議應用比較廣泛就是CoAP，

而在usocket 模塊中，我們需要了解一些基本的常量（網路基礎）含義：

IP地址型別

socket.AF_INET =2 — TCP/IP – IPv4
socket.AF_INET6 =10 — TCP/IP – IPv6

套接字型別

socket.SOCK_STREAM =1 — TCP流（重點）
socket.SOCK_DGRAM =2 — UDP資料報（重點）
socket.SOCK_RAW =3 — 原始套接字
socket.SO_REUSEADDR =4 — socket可重用

IP協議號（在大多數情況下不需要指定這個，MicroPython也不推薦，作為了解即可）

socket.IPPROTO_TCP =16
socket.IPPROTO_UDP =17

原因：因為 SOCK_STREAM 套接字型別會自動選擇 IPPROTO_TCP 和 SOCK_DGRAM - IPPROTO_UDP，因此，這些常量的唯一實際用途是作為 setsockopt() 的引數，

??UDPClient —— 客戶端請求

在這里插入圖片描述

這里博主特意用兩種顏色區分STA和Client程序，

1.1 創建STA模式

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)

注意：

第一次按照MicroPython韌體的時候，ESP32配置為熱點模式，因此AP_IF介面有效，STA_IF介面無效，

1.2 激活station模式

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)

1.3 連接到您的WiFi網路

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)
sta_if.connect('<your ESSID>', '<your password>')

1.4 檢查連接是否建立

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)
sta_if.isconnected()

1.5 創建socket物件

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)

使用給定的地址群、型別和協議號創建一個新的socket物件

1.6 構建ServerIP+ServerPort

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]

將引數翻譯為一個5元組序列，該序列包含創建一個與設備連接的socket所需的全部必要引數，
該5元組串列有以下結構:

(family, sockettype, proto, canonname, sockaddr)
簡稱 ftpca

family: 表示socket使用的協議簇，常用的協議簇包括AF_UNIX(本機通信）/AF_INET（TCP/IP協議簇中的IPv4協議）/AF_INET6（TCP/IP協議簇中的IPv4協議），在python的socket包中，用1表示AF_UNIX，2表示AF_INET，10表示AF_INET6，
sockettype：表示socket的型別，常見的socket型別包括SOCK_STREAM（TCP流）/SOCK_DGRAM（UDP資料報）/SOCK_RAW（原始套接字），其中，SOCK_STREAM=1，SOCK_DGRAM=2，SOCK_RAW=3
proto：顧名思義，就是指定協議，套介面所用的協議，如呼叫者不想指定，可用0，常用的協議有，IPPROTO_TCP(=6)和IPPTOTO_UDP(=17)，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議，
canonname：主機名字
sockaddr：IP地址+埠

注意：

socket.getaddrinfo 回傳的是一個元組陣列(這里可以解釋 [0][-1] 的由來，獲取到IP地址和埠元組)，類似于：

[(2, 1, 6, '', ('220.181.111.86', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('220.181.111.86', 80)),
 (2, 1, 6, '', ('123.125.114.144', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('123.125.114.144', 80)),
 (2, 1, 6, '', ('220.181.111.85', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('220.181.111.85', 80))]

這個ftpca的前三位可以用來構造一個socket，

2 是 AF_INET
1 是 SOCK_STREAM
6 是 IPPROTOTCP

1.7 發起請求

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 發起請求
print("esp32 micropython udp")
s.sendto("esp32 micropython udp",addr)

1.8 回應請求

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 發起請求
print("esp32 micropython udp")
s.sendto("esp32 micropython udp",addr)
# 回應請求
while True:
     data = s.recv(100)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break

從socket上接收資料，回傳值是一個表示接收到的資料的位元組物件，要接收到的資料最大數量由緩沖區大小指定，

1.9 關閉socket

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 發起請求
print("esp32 micropython udp")
s.sendto("esp32 micropython udp",addr)
# 回應請求
while True:
     data = s.recv(100)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break
# 關閉socket
s.close()

標記關閉的socket，一旦發生這種情況，所有將對socket物件進行的操作都將失敗，遠程端將無法再接收到任何資料（佇列資料重繪后），
Socket在垃圾回收時自動關閉，但是建議您明確地關閉它們

?UDPClient 示例

本地局域網PC機構建UDPServer，ESP32訪問它

步驟：

網路除錯助手打開UDPServer，獲取本地主機IP地址和本地主機埠號port
esp32創建UDPClient，連接該IP和port，發送 “esp32 micropython udp”過去

新建network_udp_client.py

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 匯入網路模塊
import network

# 定義一個連接函式
def do_connect():
    # 創建STA模式
    sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
    # 回傳網路作業狀態
    print('network status1:', sta_if.status())
    # 檢查連接是否建立
    if not sta_if.isconnected():
        print('connecting to network...')
        # 激活station模式
        sta_if.active(True)
        # 連接到您的WiFi網路
        sta_if.connect('TP-LINK_5344', 'xxxxxx')
        # 回傳網路作業狀態
        print('network status2:', sta_if.status())
        # 檢查連接是否建立
        while not sta_if.isconnected():
            pass
    # 回傳網路作業狀態
    print('network status3:', sta_if.status())
    
# 開機自動連接
do_connect() 

# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort,這里得填寫自己的網路除錯助手
addr = usocket.getaddrinfo('192.168.1.105', 32666)[0][-1]
print(addr)
# 發起請求
print("esp32 micropython udp")
s.sendto("esp32 micropython udp",addr)
# 回應請求
while True:
     data = s.recv(100)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break
# 關閉socket
s.close()

結果：

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT
network status1: 1010
network status3: 1010
('192.168.1.105', 32666)
esp32 micropython udp

??UDPServer —— 服務端回應

在這里插入圖片描述
這里博主特意用兩種顏色區分STA和Server程序，

2.1 創建STA模式

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)

注意：

第一次按照MicroPython韌體的時候，ESP32配置為熱點模式，因此AP_IF介面有效，STA_IF介面無效，

2.2 激活station模式

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)

2.3 連接到您的WiFi網路

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)
sta_if.connect('<your ESSID>', '<your password>')

2.4 檢查連接是否建立

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
sta_if.active(True)
sta_if.isconnected()

2.5 創建socket物件

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)

使用給定的地址群、型別和協議號創建一個新的socket物件

2.6 構建ServerIP+ServerPort

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]

將引數翻譯為一個5元組序列，該序列包含創建一個與設備連接的socket所需的全部必要引數，
該5元組串列有以下結構:

(family, sockettype, proto, canonname, sockaddr)
簡稱 ftpca

family: 表示socket使用的協議簇，常用的協議簇包括AF_UNIX(本機通信）/AF_INET（TCP/IP協議簇中的IPv4協議）/AF_INET6（TCP/IP協議簇中的IPv4協議），在python的socket包中，用1表示AF_UNIX，2表示AF_INET，10表示AF_INET6，
sockettype：表示socket的型別，常見的socket型別包括SOCK_STREAM（TCP流）/SOCK_DGRAM（UDP資料報）/SOCK_RAW（原始套接字），其中，SOCK_STREAM=1，SOCK_DGRAM=2，SOCK_RAW=3
proto：顧名思義，就是指定協議，套介面所用的協議，如呼叫者不想指定，可用0，常用的協議有，IPPROTO_TCP(=6)和IPPTOTO_UDP(=17)，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議，
canonname：主機名字
sockaddr：IP地址+埠

注意：

socket.getaddrinfo 回傳的是一個元組陣列(這里可以解釋 [0][-1] 的由來，獲取到IP地址和埠元組)，類似于：

[(2, 1, 6, '', ('220.181.111.86', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('220.181.111.86', 80)),
 (2, 1, 6, '', ('123.125.114.144', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('123.125.114.144', 80)),
 (2, 1, 6, '', ('220.181.111.85', 80)),
 (2, 2, 17, '', ('220.181.111.85', 80))]

這個ftpca的前三位可以用來構造一個socket，

2 是 AF_INET
1 是 SOCK_STREAM
6 是 IPPROTOTCP

2.7 系結地址

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 系結地址
s.bind(addr）

將套接字系結到地址，套接字不能是已經系結的，

2.8 回應請求

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 系結地址
s.bind(addr
# 回應請求
while True:
     data = s.recv(100)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break

從socket上接收資料，回傳值是一個表示接收到的資料的位元組物件，要接收到的資料最大數量由緩沖區大小指定，

2.9 關閉socket

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 創建 udp socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('www.micropython.org', 80)[0][-1]
# 發起請求
print("esp32 micropython udp")
s.sendto("esp32 micropython udp",addr)
# 回應請求
while True:
     data = s.recv(100)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break
# 關閉socket
s.close()

標記關閉的socket，一旦發生這種情況，所有將對socket物件進行的操作都將失敗，遠程端將無法再接收到任何資料（佇列資料重繪后），
Socket在垃圾回收時自動關閉，但是建議您明確地關閉它們

?UDPServer 示例

本地局域網PC機構建UDPClient，訪問ESP32 UDPServer

步驟：

網路除錯助手打開UDPClient，獲取本地主機IP地址和本地主機埠號port
esp32創建UDPServer，處理發過來的資料

新建network_udp_server.py

# 匯入usocket模塊
import usocket
# 匯入網路模塊
import network

# 定義一個連接函式
def do_connect():
    # 創建STA模式
    sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
    # 回傳網路作業狀態
    print('network status1:', sta_if.status())
    # 檢查連接是否建立
    if not sta_if.isconnected():
        print('connecting to network...')
        # 激活station模式
        sta_if.active(True)
        # 連接到您的WiFi網路
        sta_if.connect('TP-LINK_5344', 'xxxxxxxx')
        # 回傳網路作業狀態
        print('network status2:', sta_if.status())
        # 檢查連接是否建立
        while not sta_if.isconnected():
            pass
    # 回傳網路作業狀態
    print('network :', sta_if.ifconfig())
    
# 開機自動連接
do_connect() 

# 創建 UDP socket
s = usocket.socket(usocket.AF_INET,usocket.SOCK_DGRAM)  
# 構建ServerIP+ServerPort,這里得填寫自己的網路除錯助手
addr = usocket.getaddrinfo('192.168.1.102', 32666)[0][-1]
print(addr)
# 系結地址
s.bind(addr)
# 回應請求
while True:
     data,clientaddr = s.recvfrom(1024)
     print("data:",data)
     print("from:",clientaddr)
     if data:
        print(str(data, 'utf8'), end='')
     else:
        break
# 關閉socket
s.close()

結果：
在這里插入圖片描述

>>> %Run -c $EDITOR_CONTENT
network status1: 1010
network : ('192.168.1.102', '255.255.255.0', '192.168.1.1', '192.168.1.1')
('192.168.1.102', 32666)
data: b'from Packet Sender'
from: ('192.168.1.105', 64657)
from Packet Senderdata: b'from Packet Sender'
from: ('192.168.1.105', 64657)
from Packet Sender

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