第三十二章 UDP实验
在本章中，我们将使用network和socket第三方模块来实现网络连接。network库用于实现WiFi连接，而socket库则用于实现基于lwIP协议栈的网络协议连接。在本章实验中，我们将使用ESP32-S3开发板连接远程网络，并在此基础上实现UDP连接。在本实验中，我们将实现一个简单的UDP连接，通过网络调试助手发送数据，并将接收到的数据原原本本地返回。
32.1 network与socket库的简介
32.2 硬件设计
32.3 软件设计
32.4 下载验证
32.1 network与socket库的简介
32.1.1 network与socket库
MicroPython 的 network 和 socket 库都是用于实现网络连接的工具，它们具有一些共同的特点和不同的功能。
network 库是 MicroPython 的第三方库之一，它提供了 WiFi 和网络连接的功能。通过使用 network 库，我们可以连接到无线网络，获取网络状态，发送和接收数据等。在 MicroPython 的系统中，network 库通常用于实现设备的网络连接和通信功能。
socket，一个在网络世界中广泛使用的术语，它是我们程序与网络协议之间沟通的桥梁。想象一下，如果没有这座桥梁，我们的程序就需要直接与复杂的网络协议打交道，这无疑会增加程序设计的难度和复杂性。幸运的是，socket为我们提供了一个优雅而简洁的解决方案。在众多的网络协议中，如TCP、UDP、IP、ICMP等，每一种都有其特定的通信规则和格式。而socket，则像是为这些协议量身定制的一套适配器，让我们的程序可以无需关心底层的协议细节，就能轻松地进行网络通信。每一个网络通信的端点，都有一个socket对象，它们就像是网络通信的“门牌号”，让我们的程序知道应该将数据发送到哪个地址，同时也让网络知道应该将哪些数据发送到我们的程序。
在Python中，我们有一个名为socket的模块，它提供了一套简单易用的接口，让我们可以在程序中创建和使用Socket对象。通过这个模块，我们可以轻松地实现客户机和服务器的通信。socket的背后，其实隐藏了一套复杂的系统。它不仅仅是一组接口，更是一种设计模式，一种门面模式。它将底层的TCP/IP协议族的复杂性隐藏起来，只暴露出一组简单的接口供我们使用。这样，我们无需深入理解网络协议的细节，只需要按照socket的接口规范进行编程，就能写出符合TCP/UDP标准的程序。下图是socket建立连接流程，如下所示。
图32.1.1.1 socket建立连接流程
上图中，socket建立连接需要六个步骤。首先，调用socket方法创建socket对象，接着，调用bind方法绑定地址到socket对象，然后，调用listen方法监听地址端口并且调用accept方法阻塞接收连接请求，当连接成功后，利用write方法和read方法处理通信数据，最后，如果接收到关闭请求时，就调用close方法关闭socket对象。
network 库和 socket 库的主要区别在于它们的应用场景和功能。network 库主要用于实现设备的 WiFi 和网络连接功能，而 socket 库则主要用于实现网络协议的连接和数据传输功能。因此，在实现具体的网络连接功能时，需要根据具体的需求和硬件平台来选择合适的库进行使用。
32.1.2 network与socket库的构造与方法
一、network库构造方法
WLAN 网络接口的构造对象方法如下：
class network.WLAN(interface_id) 使用示例：wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
该构造函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.1 network.WLAN构造方法参数描述
返回值：WLAN 网络接口对象。
二、network库的方法
①：激活或停用网络接口。
其方法原型如下：
wlan.active([is_active])
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.2 wlan.active方法参数描述
返回值：无。
②：连接网络。
其方法原型如下：
wlan.connect(ssid=None, password=None)
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.3 wlan.connect方法参数描述
返回值：true：连接成功；fail：连接失败。
③：关闭网络。
其方法原型如下：
wlan.disconnect()
返回值：无。
④：获取或者设置网络参数。
其方法原型如下：
WLAN.ifconfig([(ip, subnet, gateway, dns)])
该方法的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.4 wlan.ifconfig方法参数描述
返回值：若此函数为无参数传入，则返回连接网络的信息，反次，为设置网络参数。
以上是network库常用的方法，还有其他方法可参考MicroPython的在线文档。
三、socket库构造方法
创建套接字的构造对象方法如下：
class socket.socket(af=AF_INET, type=SOCK_STREAM ,proto=IPPROTO_TCP, /) 使用示例：socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
该构造函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.5 socket.socket构造方法参数描述
返回值：套接字对象。
四、socket库的方法
①：关闭套接字接口。
其方法原型如下：
socket.close()
返回值：无。
②：套接字绑定到地址。
其方法原型如下：
socket.bind(address)
该方法的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.6 socket.bind方法参数描述
返回值：无。
③：监听连接，用作于TCPServer连接。
其方法原型如下：
socket.listen([backlog])
该方法的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.7 socket.listen方法参数描述
返回值：conn：新的套接字对象，用来收发消息；address：连接到服务器的客户端地址。
④：接受连接，用作于TCPServer连接。注：在此之前，需监听连接。
其函数原型如下：
socket.accept()
返回值：无。
⑤：连接远程IP地址
其函数原型如下：
socket.connect(address)
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.8 socket.connect函数参数描述
返回值：无。
⑥：发送数据，返回发送的字节数。
其函数原型如下：
socket.send(bytes)
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.9 socket.send函数参数描述
返回值：无。
⑦：接收数据，返回值是一个字节对象。
其函数原型如下：
socket.recv(bufsize)
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.10 socket.recv函数参数描述
返回值：无。
⑧：UDP发送数据，一般用作于UDP连接。
其函数原型如下：
socket.sendto(bytes, address)
该函数的参数描述，如下表所示。
表32.1.2.11 socket.sendto函数参数描述
返回值：无。
以上方法列出了本书中常用的套接字方法，对于剩余的套接字方法，请参考MicroPython最新的在线文档。
32.2 硬件设计
1. 例程功能
本章实验功能简介：当UDP连接成功后，网络调试助手作为服务器，开发板作为客户端，服务器发送数据至开发板时，开发板将数据原原本本的发送至网络调试助手。
2. 硬件资源
1）ESP32-S3内部WiFi
3. 原理图
本章实验使用的WiFi为ESP32-S3的片上资源，因此并没有相应的连接原理图。
32.3 软件设计
32.3.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图。
图32.3.1.1 程序流程图
32.3.2 程序解析
本书籍的代码都在main.py脚本下编写的，读者可在光盘资料下找到对应的源码。UDP实验main.py源码如下：
import socket
import network
import time
SSID = "xxx" # wifi名称
PASSWORD = "xxx" # wifi密码
Server_IP = '192.168.101.33' # 原程IP地址
wlan = None
"""
* @brief 连接网络
* @param 无
* @retval 无
"""
def connect():
global wlan
# 创建站点接口
wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(False)
# 启用站点接口
wlan.active(True)
# 判断是否连接
if not wlan.isconnected():
print('connecting to network...')
# 连接WiFi
wlan.connect(SSID, PASSWORD)
while not wlan.isconnected():
pass
# 输出网络信息
print('network config: ', wlan.ifconfig())
"""
* @brief 程序入口
* @param 无
* @retval 无
"""
if __name__ == '__main__':
# 连接网络
connect()
while True:
# 获取本地IP
ip = wlan.ifconfig()[0]
print('network config:', ip)
"""
创建socket 对象，socket.socket(ip 类型，协议)：
socket.AFINET是ipv4;socket.AFINET6是ipv6
socket.SOCK_STREAM表示tcp;SOCK_DGRAM表示UDP
"""
udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
# ServerIP+ServerPort
addr = socket.getaddrinfo('192.168.101.33', 8080)[0][-1]
print(addr)
# 发送信息
udp_socket.sendto("**********************************\r\n",addr)
udp_socket.sendto(f'正点原子 ESP32-S3 开发板 UDP Test\r\n'.
encode('utf-8'),addr)
udp_socket.sendto("**********************************\r\n",addr)
while True:
try:
# 每次接收4096字节
data = udp_socket.recv(4096)
except :
udp_socket.close()
break
# 回显操作
udp_socket.sendto(data,addr)
在上述代码中，作者首先配置了WiFi的账号和密码，并构建了ESP32-S3与网络通道。接着，设置了服务器的远程IP地址，以便将数据发送到指定的地址。随后，作者定义了一个网络连接函数，该函数使用network第三方库的方法来实现网络连接。一旦连接建立，作者配置了连接协议。在本实验中，使用的是UDP连接，因此配置了套接字为UDP连接。接着，作者发送实验信息至服务器。最后，不断接收服务器发送的数值，并将数据原原本本地发送回服务器。
32.4 下载验证
程序下载到开发板后，需要打开网络调试助手，并在网络调试助手中配置协议为UDP。在配置过程中，需要输入本机的IP地址，即当前电脑的IP地址，以及端口号8080。另外，还需要配置目标主机信息的IP地址和端口号（即ESP32-S3设备的IP地址和端口号）。完成上述配置后，点击“连接”按钮以连接设备。一旦连接成功，可以在网络调试助手的发送框中填写需要发送的数据，并按下“发送按钮”以发送数据。此时，网络调试助手会接收到刚刚发送的数据。
图32.4.1 网络调试助手配置与收发