UDP协议在物联网中的实战

一、UDP协议介绍

UDP(User Datagram Protocol, 用户数据报协议)，无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传输服务。强调传输性能而不是传输完整性，多用于视频和多媒体应用。

2.1 报文格式

2.2 协议特点

• 无连接：
• 不可靠传输：消息尽力传播，但不关注是否传输过去
• 面向数据报：以数据报为传输的基本单位，不拆分、不合并、原样发送
• 全双工：一条路径双向通信，既能读，也能写
• 大小受限：UDP协议首部有2个字节，16位的长度内容，限制了UDP传输数据最大长度为64K（含UDP首部）
• 缓冲区：UDP只有接收缓冲区，没有发送缓冲区

二、物联网中实战

不同物联网平台对协议中所承载的业务内容均有自己的规范，但原理基本一致，本文基于中国电信AIoT物联网平台进行实战。

2.1 在物联网平台创建产品设备

具体操作流程可见平台操作手册

重点关注：

• 创建产品时，通信协议选择UDP
• 创建产品时，“是否透传”，选择透传或者物模型，将对应不同的上下行报文格式。透传：平台对报文不进行解析，将报文透传给应用或终端；物模型：按照在平台定义的服务与属性，对上下行报文进行解析。(https://img-blog.csdnimg.cn/direct/d73abe3f1bf04acbada68b35c964bd3f.jpeg)
  

2.2 交互流程

设备登录

1. 用户在通用组件服务添加设备，填写设备编号。通用组件服务生成device ID和特征串。device ID由产品ID和设备编号拼接生成。设备初始状态为：已注册。

2. 设备携带deviceId、password（平台生成的特征串）登录到平台

3. 平台对设备进行认证，并将认证结果返回给设备。认证成功后，设备状态为：已激活、在线。

心跳保活

1. 平台默认心跳周期为5分钟，心跳超时之前，设备需要发送心跳报文到平台用于会话的延长。超时而没有发送心跳报文的，平台将删除会话。

数据上报

1. 设备以0x04消息类型上报数据，平台解析后会以0x84回复响应结果。

下行指令

设备登出

3. 设备登出需要发送登出请求，携带deviceId，平台收到请求后删除会话，并向设备发送登出响应。设备状态更新为：下线。

2.3 报文格式（下文转自官方手册）

2.4 代码

2.4.1 代码总体框架

每一次进行业务交互，主要是对client.sendto(payload, server_address) 中payload部分和client.recvfrom(1024)的内容进行编辑与解析。

import socket

# 创建UDP socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 服务器地址
# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252"
# 设置端口与服务器端一致
port = 15683
server_address = (host, port)

# 发送消息
# client.sendto(payload, server_address)

# 接收回应
# response, server_address = client.recvfrom(1024)
# print(f"Received response: {response}")

# 关闭socket
client_socket.close()

2.4.1 UDP透传设备

2.4.1.1. 登录

1.登录报文

消息格式：[deviceId_length (2字节)]+[deviceId]+[password_length(2字节)]+[password]+[version_length(2字节)]+[version]

注：字符串转十六进制可用在线工具：https://www.sojson.com/hexadecimal.html，也可以直接使用python中的bytes(data, "utf-8").hex()方式。

deviceId：200020722

password：7Sfv-b_HDbLDyJ_K-0SkWqRGd-GE-b3rZp-upOr1kSU

version：1.0

登录请求编码为(16进制)：

• 登录报文消息类型：0x01

• 消息Id：0x0001

• deviceId_length：0x0009

• deviceId：0x323030303230373232

• password_length：0x002b

• password：0x382D45654D57466134364D5952566C4149683557393967714E35395A5571565A34487653634C7A50456259

• version_length：0x0003

• version：0x312e30

登录请求的完整报文为：01 0001 0009 323030303230373232 002B 382D45654D57466134364D5952566C4149683557393967714E35395A5571565A34487653634C7A50456259 0003 312E30

2. 登录代码全貌

import socket
import binascii
# 创建UDP socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 服务器地址
# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252"
# 设置端口与服务器端一致
port = 15683
server_address = (host, port)

# 发送消息
payload = "0100010009323030303230373232002B382D45654D57466134364D5952566C4149683557393967714E35395A5571565A34487653634C7A504562590003312E30"
client.sendto(binascii.unhexlify(payload), server_address)

# 接收回应

response = binascii.hexlify(client.recv(1024)).decode("utf-8")
print(f"Received response: {response}")

# 关闭socket
client.close()

根据平台定义的登录响应格式，TCP模拟器收到“050000”的报文，则登录成功，在物联网平台可查看设备状态也应该为在线。

2.4.1.2 数据上报

1.上报报文

消息格式：0x02 +数据长度（2字节） +业务数据

deviceId：200020722

1. 上行业务数据："hello"

上行数据编码为(16进制)：

• 上行数据消息类型：0x04

• 消息Id：0x0004

• deviceId_length：0x0009

• deviceId：0x323030303230373232

• data_length：0x0005

• data：0x68656c6c6f

上行数据的完整报文为：04 0004 0009 323030303230373232 0005 68656c6c6f

2. 上行代码全貌
根据业务规则，设备需先登录，才能进行数据上报。

import socket
import binascii
# 创建UDP socket
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

# 服务器地址
# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252"
# 设置端口与服务器端一致
port = 15683
server_address = (host, port)

# 发送登录消息
payload = "0100010009323030303230373232002B382D45654D57466134364D5952566C4149683557393967714E35395A5571565A34487653634C7A504562590003312E30"
client.sendto(binascii.unhexlify(payload), server_address)

# 接收回应
response = binascii.hexlify(client.recv(1024)).decode("utf-8")
print(f"Received response: {response}")

# 发送上报消息
payload2 = "0400040009323030303230373232000568656c6c6f"
client.sendto(binascii.unhexlify(payload2), server_address)
# 接收回应
response2 = binascii.hexlify(client.recv(1024)).decode("utf-8")
print(f"Received response: {response2}")

# 关闭socket
client.close()

经过登录和上行报文的实战，有没有发现UDP协议在物联网领域中，实质是将业务数据封装在了UDP报文的data部分。data部分按照业务规则进行”拼接“即可。