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02UDP通讯实验
UDP通讯实验
目录
UDP通讯实验1
1本课题的目的2
2运行环境2
3课题分析2
3.1UDP协议简介2
3.1.1UDP协议简介2
3.1.2UDP和TCP协议的主要区别3
3.1.3UDP协议的应用4
3.22.SOCKET简介4
3.2.11)什么是Socket4
3.2.22)Socket建立5
3.2.33)Socket配置5
3.2.44)连接建立7
3.2.55)数据传输8
3.2.66)结束传输9
4系统设计10
5技术实现问题18
6总结与体会18
1本课题的目的
编程实现嵌入式开发平台和计算机之间的UDP通讯。
通过触摸屏进行画图,使其在液晶屏上显示,同时通过网络传输数据,使其在计算机屏幕上显示;由计算机控制清除液晶屏上的图形。
在此基础上,通过小键盘控制在触摸屏上绘制的图形,如按键后控制绘矩形或圆形等,通过双击清屏等功能。
2运行环境
安装在ARM板上的uc-os操作系统
3课题分析
3.1UDP协议简介
3.1.1UDP协议简介
UDP协议是英文UserDatagramProtocol的缩写,即用户数据报协议,主要用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。
包括网络视频会议系统在内的众多客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。
UDP协议从问世至今已经被使用了很多年,虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖,但即使是在今天,UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。
与我们所熟知的TCP(传输控制协议)协议一样,UDP协议直接位于IP(网际协议)协议的顶层。
根据OSI(开放系统互连)参考模型,UDP和TCP都属于传输层协议。
UDP协议的主要作用是将网络数据流压缩成数据报的形式。
一个典型的数据报就是一个二进制数据的传输单位。
每一个数据报的前8个字节用来包含报头信息,剩余字节则用来包含具体的传输数据。
UDP报头由4个域组成,其中每个域各占用2个字节,具体如下图4-12所示:
图4-12用户数据报格式
UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。
UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。
数据发送一方(可以是客户端或服务器端)将UDP数据报通过源端口发送出去,而数据接收一方则通过目标端口接收数据。
有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口;而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。
因为UDP报头使用两个字节存放端口号,所以端口号的有效范围是从0到65535。
一般来说,大于49151的端口号都代表动态端口。
数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总的字节数。
因为报头的长度是固定的,所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分(又称为数据负载)。
数据报的最大长度根据工作环境的不同而各异。
从理论上说,包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。
不过,一些实际应用往往会限制数据报的大小,有时会降低到8192字节。
UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。
校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出,在传递到接收方之后,还需要再重新计算。
如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏,发送和接收方的校验计算值将不会相符,由此UDP协议可以检测是否出错。
其实在UDP协议中校验功能是可选的,如果将其关闭可以使系统的性能有所提升。
这与TCP协议是不同的,后者要求必须具有校验值。
3.1.2UDP和TCP协议的主要区别
UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。
TCP协议中包含了专门的传递保证机制,当数据接收方收到发送方传来的信息时,会自动向发送方发出确认消息;发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息,否则将一直等待直到收到确认信息为止。
(相当于必须等到对方的响应后我再继续发送)
与TCP不同,UDP协议并不提供数据传送的保证机制。
如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失,协议本身并不能做出任何检测或提示。
因此,通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。
(数据丢失无检测和提示)
相对于TCP协议,UDP协议的另外一个不同之处在于如何接收突发性的多个数据报。
不同于TCP,UDP并不能确保数据的发送和接收顺序。
例如,一个位于客户端的应用程序向服务器发出了以下4个数据报D1D22D333D4444
但是UDP协议有可能按照以下顺序将所接收的数据提交到服务端应用:
D333D1D4444D22
事实上,UDP协议的这种乱序性基本上很少出现,通常只会在网络非常拥挤的情况下才有可能发生。
3.1.3UDP协议的应用
也许有的读者会问,既然UDP是一种不可靠的网络协议,那么还有什么使用价值或必要呢?
其实不然,在有些情况下UDP协议可能会变得非常有用。
因为UDP具有TCP望尘莫及的速度优势。
虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能,但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销,无疑使速度受到严重的影响。
反观UDP由于排除了信息可靠传递机制,将安全和排序等功能移交给上层应用来完成,极大得降低了执行时间,使速度得到了保证。
关于UDP协议最早规范是RFC768,1980年发布。
尽管时间已经很长,但是UDP协议仍然继续在主流应用中发挥着作用。
包括视频电话会议系统在内的许多应用都证明了UDP协议的存在价值。
因为相对于可靠性来说,这些应用更加注重实际性能,所以为了获得更好的使用效果(例如,更高的画面帧刷新速率)往往可以牺牲一定的可靠性(例如,画面质量)。
这就是UDP和TCP两种协议的权衡之处。
根据不同的环境和特点,两种传输协议都将在今后的网络世界中发挥更加重要的作用。
3.22.SOCKET简介
3.2.1什么是Socket
Socket接口是TCP/IP网络的API,Socket接口定义了许多函数或例程,程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。
要学Internet上的TCP/IP网络编程,必须理解Socket接口。
Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。
如果了解Unix系统的输入和输出,就很容易了解Socket了。
网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O,Socket也是一种文件描述符。
Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket(),该函数返回一个整型的Socket描述符,随后连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。
常用的Socket类型有两种:
流式Socket(SOCK_STREAM)和数据报式Socket(SOCK_DGRAM)。
流式是一种面向连接的Socket,针对于面向连接的TCP服务应用;数据报式Socket是一种无连接的Socket,对应于无连接的UDP服务应用。
3.2.2Socket建立
为了建立Socket,程序可以调用Socket函数,该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。
socket函数原型为:
intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);
domain指明所使用的协议族,通常为PF_INET,表示互联网协议族(TCP/IP协议族);type参数指定socket的类型:
SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM,Socket接口还定义了原始Socket(SOCK_RAW),允许程序使用低层协议;protocol通常赋值"0"。
Socket()调用返回一个整型socket描述符,你可以在后面的调用使用它。
Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针,它指向描述符表入口。
调用Socket函数时,socket执行体将建立一个Socket,实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。
Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息:
通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。
Socket数据结构中包含这五种信息。
3.2.3Socket配置
通过socket调用返回一个socket描述符后,在使用socket进行网络传输以前,必须配置该socket。
面向连接的socket客户端通过调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。
无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用bind函数来配置本地信息。
Bind函数将socket与本机上的一个端口相关联,随后你就可以在该端口监听服务请求。
Bind函数原型为:
intbind(intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen);
Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针;addrlen常被设置为sizeof(structsockaddr)。
structsockaddr结构类型是用来保存socket信息的:
structsockaddr{
unsignedshortsa_family;/*地址族,AF_xxx*/
charsa_data[14];/*14字节的协议地址*/
};
sa_family一般为AF_INET,代表Internet(TCP/IP)地址族;sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。
另外还有一种结构类型:
structsockaddr_in{
shortintsin_family;/*地址族*/
unsignedshortintsin_port;/*端口号*/
structin_addrsin_addr;/*IP地址*/
unsignedcharsin_zero[8];/*填充0以保持与structsockaddr同样大小*/
};
这个结构更方便使用。
sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与structsockaddr同样的长度,可以用bzero()或memset()函数将其设置为零。
指向sockaddr_in的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换,这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时,你可以在函数调用的时候将一个指向sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针;或者相反。
使用bind函数时,可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号:
my_addr.sin_port=0;/*系统随机选择一个未被使用的端口号*/
my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;/*填入本机IP地址*/
通过将my_addr.sin_port设置为0,函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。
同样,通过将my_addr.sin_addr.s_addr设置为INADDR_ANY,系统会自动填入本机IP地址。
注意在使用bind函数时需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序。
计算机数据存储有两种字节优先顺序:
高位字节优先和低位字节优先。
Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输,所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器,在Internet上传输数据时就需要进行转换,否则就会出现数据不一致。
下面是几个字节顺序转换函数:
htonl():
把32位值从主机字节序转换成网络字节序
htons():
把16位值从主机字节序转换成网络字节序
ntohl():
把32位值从网络字节序转换成主机字节序
ntohs():
把16位值从网络字节序转换成主机字节序
Bind()函数在成功被调用时返回0;出现错误时返回"-1"并将errno设置为相应的错误号。
需要注意的是,在调用bind函数时一般不要将端口号设置为小于1024的值,因为1到1024是保留端口号,你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。
3.2.4连接建立
面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接,其函数原型为:
intconnect(intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen);
Sockfd是socket函数返回的socket描述符;serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针;addrlen是远端地质结构的长度。
Connect函数在出现错误时返回-1,并且设置errno为相应的错误码。
进行客户端程序设计无须调用bind(),因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址,而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心,socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口,并通知你的程序数据什么时候到达端口。
Connect函数启动和远端主机的直接连接。
只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。
无连接协议从不建立直接连接。
面向连接的服务器也从不启动一个连接,它只是被动的在协议端口监听客户的请求。
Listen函数使socket处于被动的监听模式,并为该socket建立一个输入数据队列,将到达的服务请求保存在此队列中,直到程序处理它们。
intlisten(intsockfd,intbacklog);
Sockfd是Socket系统调用返回的socket描述符;backlog指定在请求队列中允许的最大请求数,进入的连接请求将在队列中等待accept()(参考下文)。
Backlog对队列中等待服务的请求数目进行了限制,大多数系统缺省值为20。
如果一个服务请求到来时,输入队列已满,该socket将拒绝连接请求,客户将收到一个出错信息。
当出现错误时listen函数返回-1,并置相应的errno错误码。
accept()函数让服务器接收客户的连接请求。
在建立好输入队列后,服务器就调用accept函数,然后睡眠并等待客户的连接请求。
intaccept(intsockfd,void*addr,int*addrlen);
sockfd是被监听的socket描述符,addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针,该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息(某台主机从某个端口发出该请求);addrten通常为一个指向值为sizeof(structsockaddr_in)的整型指针变量。
出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。
首先,当accept函数监视的socket收到连接请求时,socket执行体将建立一个新的socket,执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来,收到服务请求的初始socket仍可以继续在以前的socket上监听,同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。
3.2.5数据传输
Send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。
Send()函数原型为:
intsend(intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags);
Sockfd是你用来传输数据的socket描述符;msg是一个指向要发送数据的指针;Len是以字节为单位数据的长度;flags一般情况下设置为0(关于该参数的用法可参照man手册)。
Send()函数返回实际上发送出的字节数,可能会少于你希望发送的数据。
在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。
当send()返回值与len不匹配时,应该对这种情况进行处理。
char*msg="Hello!
";
intlen,bytes_sent;
……
len=strlen(msg);
bytes_sent=send(sockfd,msg,len,0);
……
recv()函数原型为:
intrecv(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags);
Sockfd是接受数据的socket描述符;buf是存放接收数据的缓冲区;len是缓冲的长度。
Flags也被设置为0。
Recv()返回实际上接收的字节数,当出现错误时,返回-1并置相应的errno值。
Sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。
由于本地
socket并没有与远端机器建立连接,所以在发送数据时应指明目的地址。
sendto()函数原型为:
intsendto(intsockfd,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,conststructsockaddr*to,inttolen);
该函数比send()函数多了两个参数,to表示目地机的IP地址和端口号信息,而tolen常常被赋值为sizeof(structsockaddr)。
Sendto函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。
Recvfrom()函数原型为:
intrecvfrom(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,int*fromlen);
from是一个structsockaddr类型的变量,该变量保存源机的IP地址及端口号。
fromlen常置为sizeof(structsockaddr)。
当recvfrom()返回时,fromlen包含实际存入from中的数据字节数。
Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1,并置相应的errno。
如果你对数据报socket调用了connect()函数时,你也可以利用send()和recv()进行数据传输,但该socket仍然是数据报socket,并且利用传输层的UDP服务。
但在发送或接收数据报时,内核会自动为之加上目的地和源地址信息。
3.2.6结束传输
当所有的数据操作结束以后,你可以调用close()函数来释放该socket,从而停止在该socket上的任何数据操作:
close(sockfd);
你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。
该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输,而一个方向上的数据传输继续进行。
可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据,直至读入所有数据。
intshutdown(intsockfd,inthow);Sockfd是需要关闭的socket的描述符。
参数how允许为shutdown操作选择以下几种
方式:
0-------不允许继续接收数据
1-------不允许继续发送数据
2-------不允许继续发送和接收数据,均为允许则调用close()
shutdown在操作成功时返回0,在出现错误时返回-1并置相应errno。
4系统设计
1.新建工程,将“Exp20UDP通讯实验”中的文件加入工程。
2.在main.c文件中编辑初始化网络函数。
#include"..\ucos-ii\includes.h"/*uC/OSinterface*/
#include"..\ucos-ii\add\osaddition.h"
#include"..\inc\TCPIP\internet.h"
#include"..\inc\drv.h"
#include"..\inc\drv\tchscr.h"
#include
#pragmaimport(__use_no_semihosting_swi)//ensurenofunctionsthatusesemihosting
structsockaddr_inservaddr;//计算机端套接口
intnNode;
intkey;加一行
///******************任务定义***************///
OS_STKMain_Stack[STACKSIZE*8]={0,};//Main_Test_Task堆栈
voidMain_Task(void*Id);//Main_Test_Task
#defineMain_Task_Prio12
OS_STKReceive_Stack[STACKSIZE*8]={0,};//Main_Test_Task堆栈
voidReceive_Task(void*Id);//Main_Test_Task
#defineReceive_Task_Prio40
/**************已经定义的OS任务*************
tcp监控任务11
以太网物理层监控任务8
触摸屏任务9
键盘任务10
lcd刷新任务59
系统任务1
*****************************************************/
///*****************事件定义*****************///
OS_EVENT*Nand_Rw_Sem;//Nand_Flash读写控制权旗语
//andyoucanuseitasfolloeing:
//Nand_Rw_Sem=OSSemCreate
(1);//创建Nand-Flash读写控制权旗语,初值为1满足互斥条件//
//OSSemPend(Nand_Rw_Sem,0,&err);
//OSSemPost(Nand_Rw_Sem);
OS_EVENT*Uart_Rw_Sem;//Uart读写控制权旗语
//andyoucanuseitasfolloeing:
//Uart_Rw_Sem=OSSemCreate
(1);//创建Uart读写控制权旗语,初值为1满足互斥条件//
//OSSemPend(Uart_Rw_Sem,0,&err);
//OSSemPost(Uart_Rw_Sem);
//////////////////////////////////////////////////////////
voidinitOSGUI()//初始化操作系统的图形界面
{
initOSMessage();
initOSList();
initOSDC();
initOSCtrl();
initOSFile();
}
externU8isConfigsysLoad;
externU8sysCONFIG[];
externU32ConfigSysdata[];
voidInitNetWork()//初始化网络
{
U32ipaddr32,ipmaskaddr32,ipgateaddr32;
U8Mac[6];
Uart_Printf("begininitEthernetandUDP...\n");
if(isConfigsysLoa
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