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ESP32应用——UDP组播/广播（ESP-IDF框架）

news 2025/8/24 5:54:30

一、前言

二、单播

三、广播

四、组播（多播）

五、应用代码示例

5.1 app_udp_client.h

5.2 app_udp_client.c

六、结语

一、前言

上一篇博客详细讲解了HTTP client的应用：ESP32应用——HTTP client（ESP-IDF框架），我们需要访问一个服务器，就必须知道它的主机名（域名或IP地址），我们开发的时候，通常会固定一个IP地址，然后进行调试，但是项目实际落地交给客户之后，客户可能不知道IP地址，这时候就需要用到基于UDP协议的组播和广播模式。通常我们说要实现自动发现就是要用到这两个模式。本次我们还是使用ESP-IDF框架开发，使用lwIP库进行socket编程，实现自动发现的功能。

二、单播

平时我们进行简单的网络编程，无论TCP还是UDP，进行一对一的通信就是单播。
定义：单播（unicast）是网络通信中最常见的方式，指的是一个源主机向一个目标主机发送数据。一切基于TCP的网络协议都是单播，因为通信前需建立连接，那注定就是一对一的通信。
应用：浏览网页（访问网站，它单独响应你）；私人聊天；发送电子邮件。

三、广播

广播被限定在一个局域网内，只需要发送一次，同一局域网内的所有机子都能接收到你发来的消息。
定义：广播（broadcast）这种网络通信方式，用于将数据从一个节点传输到同一网络中的所有其他节点。广播数据包会被发送到一个特殊的广播地址，网络中的所有设备都会接收到这个数据包，不论设备是否需要该信息。这种通信方式一般用于局域网（LAN）中的信息共享。
注意：广播并不是所有的网络都支持，通常：广播只是在局域网中，IPv6也不支持广播。在以太网中使用全1的地址来代表广播。例如：255.255.255.255。在广播中，发送端并不指定特定的接收方，而是将数据包发送到该网络中的所有设备。由于广播会广泛传播，在网络中广播的数据通常是诸如网络探测和广告等，这种方式也常被黑客用来进行入侵和攻击。
● 源IP：发送方的IP
● 目的IP：255.255.255.255

四、组播（多播）

组播通常用于局域网，因为许多路由器和网络设备不支持跨互联网的组播路由（也就是说想要跨局域网，可以通过路由配置）。此外，组播的管理和传输在局域网中更为高效和可控。
原理：
组播使用特定的IP地址范围，IPv4中是 224.0.0.0 到 239.255.255.255（D类地址），IPv6中以 FF00::/8 开头。当发送方往组播地址发送数据时，网络中的组播路由器会检测哪些路由上有接收该组的设备，并将数据仅复制到这些路由上，避免向无关路由传输。
特点：
点对组通信；数据仅需发送一次，网络中的路由器会将数据复制到所有加入该组播组的接收者，避免了单播情况下多次传输的开销；接收者可以通过加入或离开特定的组播组，动态地接收或停止接收特定的组播消息。
流程：
① 假设局域网内有5台主机：A、B、C、D、E；
② 通过分配一个组播地址和端口（比如 239.255.0.1:8888）来定义组；
③ 现在，如果主机A、B、C加入了这个组播组，那么D、E不会收到该组播消息；
④ 当A发送一条组播消息到 239.255.0.1:8888 时，B和C会接收这条消息，而D、E不会收到；
⑤ 组播的IP和端口是程序自己随意选择的（避开常用端口，要大于1024），只要在 224.0.0.0 到 239.255.255.255 这个范围就行。

注意：在局域网中，239.0.0.0 到 239.255.255.255 是专用组播地址，通常用于本地组播

后续代码示例广播和组播接收，由于和服务器处于同一局域网下，因此组播地址为本地管理组播地址，至于如何跨网传输组播消息这个我还不太清楚。

五、应用代码示例

下面是我做项目用到的自动发现的驱动代码，创建一个FreeRTOS任务同时监听广播和组播消息，接收到了之后解析JSON格式的数据，然后将IP地址发送给应用层。

5.1 app_udp_client.h

头文件定义了一些常量，比如要加入的组播地址、端口号等；还有监听的广播地址（255.255.255.255），将控制UDP接收任务的方法封装成函数供应用层调用。

#ifndef _APP_UDP_CLIENT_H
#define _APP_UDP_CLIENT_H#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/event_groups.h"
#include <string.h>       // 字符串操作函数
#include <stdlib.h>       // 标准库函数
#include <fcntl.h>        // 文件控制函数
#include "esp_log.h"      // ESP32日志系统
#include "lwip/sockets.h" // LwIP套接字API
#include "cJSON.h"        // JSON解析库#define UDP_TASK_STACK_SIZE (1024 * 3) // 任务栈大小，ESP-IDF里以字节为单位
#define UDP_TASK_PRIORITY (5)          // 任务优先级#define UDP_TAG "APP_UDP"#define MULTICAST_IP "239.0.1.1"       // 组播地址（239.x.x.x为组播地址范围）
#define BROADCAST_IP "255.255.255.255" // 广播地址（全网广播）
#define UDP_PORT 9492                  // UDP监听端口// 事件位定义
#define UDP_PAUSE_BIT BIT0
#define UDP_RESUME_BIT BIT1
#define UDP_STOP_BIT BIT2// UDP客户端状态定义
typedef enum
{UDP_CLIENT_STOPPED = 0,UDP_CLIENT_RUNNING,UDP_CLIENT_PAUSED
} udp_client_state_t;// 回调函数类型定义
typedef void (*udp_json_callback_t)(const char *server_ip);// ip队列
extern QueueHandle_t ui_receive_ip_queue;  // 应用层读这个队列，获取IP字符串// UDP客户端控制函数
void udp_multicast_receiver_callback(const char *server_ip);
void app_udp_multicast_receiver_init(udp_json_callback_t callback);
void app_udp_client_pause(void);
void app_udp_client_resume(void);
void app_udp_client_stop(void);
udp_client_state_t udp_client_get_state(void);#endif /* _APP_UDP_CLIENT_H */

5.2 app_udp_client.c

光看代码会很懵逼，结合实际业务来看就很好懂了。服务器通过脚本来模拟，不断广播和组播服务器的IP地址，如下：

发送JSON格式的数据，客户端接收到之后解析数据就好了，其实也很简单，主要是运用 socket 编程。
下面我会对 socket 编程用到的相关函数进行详细的讲解，可结合.c文件里的UDP任务来看。

① Socket地址结构配置：
● struct sockaddr_in：
  ○ 作用：一个专门用于IPv4协议的标准Socket地址结构体
                ○ 成员：
■ sin_family：地址族，AF_INET 表示 IPv4。
■ sin_port：16位的端口号，必须是网络字节序。
■ sin_addr：一个结构体，其 s_addr 成员是32位的IPv4地址，也必须是网络字节序。
● htonl(INADDR_ANY)：
                ○ INADDR_ANY：一个宏，其值为 0.0.0.0。它告诉操作系统，这个Socket将绑定到机器上所有可用的网络接口（如Wi-Fi、以太网）上。任何发送到本机指定端口的数据包，无论目标IP是哪个本机IP，都会被这个Socket接收。
                ○ htonl()：“Host TO Network Long”的缩写。它将一个32位（long）整数从主机字节序转换为网络字节序。计算机CPU存储数据有不同的方式（大端序、小端序），而网络传输统一规定使用大端序（网络字节序）。sin_addr.s_addr 和 sin_port 都必须使用网络字节序。
● htons(UDP_PORT)：
                ○ htons()：“Host TO Network Short”的缩写。它将一个16位（short）整数从主机字节序转换为网络字节序。这里用于转换端口号。

② 创建Socket：

● socket() 函数：
                ○ 作用：创建一个通信端点（Socket），并返回一个文件描述符（file descriptor）来代表这个Socket。
                ○ 参数：
■ int domain (这里的 addr_family): 通信域/协议族。AF_INET 表示IPv4 Internet协议。
■ int type (这里的 SOCK_DGRAM): 通信语义。SOCK_DGRAM 表示提供无连接的、不可靠的数据报服务，这正是UDP的特征。与之相对的是SOCK_STREAM（提供面向连接的、可靠的字节流，即TCP）。
■ int protocol (这里的 ip_protocol): 通常设置为0，表示由系统根据前两个参数自动选择默认协议。对于AF_INET和SOCK_DGRAM，默认就是UDP协议(IPPROTO_UDP)。显式指定IPPROTO_IP在这里效果类似，但更清晰的写法是IPPROTO_UDP。
                ○ 返回值：成功时返回一个非负整数的Socket文件描述符。失败时返回-1，并设置全局变量errno以指示错误原因。

③ 设置Socket选项：

        ● fcntl() 函数（File CONTROL）：
                ○ 作用：对一个文件描述符进行各种控制操作。
                ○ F_GETFL：获取文件描述符的当前状态标志。
                ○ F_SETFL：设置文件描述符的状态标志。
                ○ O_NONBLOCK：非阻塞模式标志。
                ○ 流程：先获取当前标志(flags)，然后通过按位或操作 | 加上O_NONBLOCK标志，最后再设置回去。
                ○ 效果：将Socket设置为非阻塞模式。在非阻塞模式下，像recvfrom这样的IO操作如果无法立即完成（例如没有数据可读），函数会立即返回一个错误(EAGAIN或EWOULDBLOCK)，而不是一直阻塞（等待）直到有数据到来。这对于在RTOS任务循环中同时处理其他事件（如检查信号量、事件组）至关重要，避免了任务被无限期挂起。

④ 绑定Socket：

● bind() 函数：
                ○ 作用：将一个Socket与一个特定的本地地址（IP地址 + 端口号）关联起来。对于接收方来说，这是必须的一步，它告诉操作系统：“请把发送到本机这个端口的所有数据包都交给这个Socket来处理”。
                ○ 参数：
1. int sockfd：Socket文件描述符。
2. const struct sockaddr *addr：指向地址结构体的指针。因为bind要能处理不同协议族（如IPv4、IPv6）的地址，所以使用通用的sockaddr指针。这里我们将特定的sockaddr_in结构体强制转换成了通用的sockaddr *类型。
  3. socklen_t addrlen: 第二个参数所指向的地址结构体的大小，即sizeof(dest_addr)。
                ○ 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。
                ○ 关键点：dest_addr中我们设置了INADDR_ANY和端口UDP_PORT。这意味着绑定到所有本地IP地址的指定端口上。

⑤ 加入组播组：

● struct ip_mreq（IP Multicast Request）：
                ○ 作用：用于操作IPv4组播成员资格的结构体。
                ○ 成员：
■ imr_multiaddr: 要加入（或离开）的组播组的IP地址。使用inet_addr()函数将点分十进制的字符串（如"239.255.255.250"）转换为32位的网络字节序的IP地址。
■ imr_interface: 指定通过哪个本地网络接口加入组播组。INADDR_ANY表示由操作系统自动选择一个默认接口。
        ● setsockopt() with IP_ADD_MEMBERSHIP：
                ○ level：IPPROTO_IP，因为这是一个IP协议层面的选项。
                ○ optname：IP_ADD_MEMBERSHIP，表示加入一个组播组。
                ○ optval：指向上面填充好的 ip_merq 结构体的指针。
                ○ 作用：向操作系统发出指令，告诉它“我想通过这个Socket接收发往MULTICAST_IP这个组播地址的数据包”。操作系统底层网络协议栈会通过IGMP协议向路由器注册这个成员关系。

⑥ 接收数据-核心循环

● recvfrom() 函数：
                ○ 作用：从一个（已连接的或未连接的）Socket接收数据，并同时获取发送方的地址信息。这对于UDP这种无连接的协议至关重要。
                ○ 参数：
1. int sockfd：Socket文件描述符。
2. void *buf（rx_buffer）：指向接收缓冲区的指针，数据将被存放在这里。
3. size_t len：接收缓冲区的最大长度。这里用了sizeof(rx_buffer) - 1是为了给字符串的结束符\0预留空间。
4. int flags：附加标志，通常设为0。
5. struct sockaddr *src_addr ((struct sockaddr *)&source_addr)：这是一个输出参数。函数会将发送方的地址信息填充到这个结构体中。sockaddr_storage是一个足够大的通用结构体，可以容纳任何类型的地址（IPv4、IPv6）。
6. socklen_t *addrlen (&socklen)：这是一个输入输出参数。调用前，它必须初始化为src_addr指向的缓冲区的长度。函数返回后，它会被设置为实际写入的地址信息的长度。
                ○ 返回值：
■ 成功：返回接收到的字节数。
■ 失败：返回 -1，并设置 errno。
■ 对于非阻塞Socket且没有数据可读时，会立即返回-1并将errno设置为EAGAIN或EWOULDBLOCK（这两个值通常相同）。代码中专门检查了这种情况，然后延时一小段时间后继续循环，而不是将其视为错误。
                ○ 流程：调用recvfrom后，如果成功，len是数据长度，source_addr里存的就是发送数据包的那台机器的IP和端口。

● inet_ntoa_r() 函数：
                ○ 作用：“network to ASCII”的可重入版本（_r表示reentrant，线程安全）。它将一个网络字节序的in_addr结构体（IPv4地址）转换回点分十进制的字符串形式。
                ○ 参数：
1. struct in_addr：要转换的地址。我们从source_addr中提取出sockaddr_in结构，然后取得它的sin_addr成员。
2. char *buf：用于存储结果字符串的缓冲区。
3. int len：缓冲区的长度。
                ○ 这里先检查了地址族是否为PF_INET（与AF_INET值相同，表示IPv4），确保类型安全后再进行转换。

⑦ 清理：

关闭一个文件描述符。对于Socket，这意味着释放该Socket占用的所有系统资源，并终止通信。如果这是对组播组的最后一个引用，系统会自动发出离开组播组的信令。

#include "_app_udp_client.h"// 全局变量
QueueHandle_t ui_receive_ip_queue = NULL;// 静态变量
static TaskHandle_t udp_task_handle = NULL;                       // RTOS任务句柄
static udp_client_state_t udp_client_state = UDP_CLIENT_STOPPED;  // 全局标志位，表示任务状态
static udp_json_callback_t json_callback = NULL;                  // 回调函数指针
static EventGroupHandle_t udp_event_group = NULL;                 // 事件组句柄/*** @brief 用户自定义回调函数，作为参数传递给UDP初始化函数** @param server_ip*/
void udp_multicast_receiver_callback(const char *server_ip)
{ESP_LOGW(UDP_TAG, "接收到服务器IP: %s", server_ip);// 复制字符串到堆内存，接收方存到缓冲区后需freechar *ip_copy = strdup(server_ip);if (!ip_copy) {ESP_LOGE(UDP_TAG, "内存分配失败");return;}if (ui_receive_ip_queue) {if (xQueueSend(ui_receive_ip_queue, &ip_copy, pdMS_TO_TICKS(50)) != pdPASS) {ESP_LOGE(UDP_TAG, "写队列失败，丢弃IP: %s", ip_copy);free(ip_copy); // 发送失败时释放内存}}else{ESP_LOGE(UDP_TAG, "队列未初始化!");free(ip_copy);}
}/*** @brief 解析从服务端发来的JSON数据** @param json_str 入参，要解析的JSON数据* @param server_ip 出参，解析完的IP字符串* @param ip_buf_size */
static bool parse_server_ip_from_json(const char *json_str, char *server_ip, size_t ip_buf_size)
{if (!json_str || !server_ip || ip_buf_size == 0){return false;}cJSON *json = cJSON_Parse(json_str);if (json == NULL){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Failed to parse JSON: %s", json_str);return false;}cJSON *server_item = cJSON_GetObjectItem(json, "server");if (!cJSON_IsString(server_item) || (server_item->valuestring == NULL)){ESP_LOGE(UDP_TAG, "JSON does not contain valid 'server' field");cJSON_Delete(json);return false;}// 复制IP地址到输出缓冲区strncpy(server_ip, server_item->valuestring, ip_buf_size - 1);server_ip[ip_buf_size - 1] = '\0';ESP_LOGI(UDP_TAG, "Parsed server IP: %s", server_ip);cJSON_Delete(json);return true;
}/*** @brief UDP组播广播客户端任务** @param pvParameters*/
void udp_multicast_receiver_task(void *pvParameters)
{char rx_buffer[128];          // 接收缓冲区char addr_str[128];           // 存储发送方IP地址的字符串char server_ip[64];           // 存储解析出的管理终端IPint addr_family = AF_INET;    // IPv4地址族int ip_protocol = IPPROTO_IP; // IP协议struct sockaddr_in dest_addr; // 目标地址结构int sock = -1;ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client task started");udp_client_state = UDP_CLIENT_RUNNING;// 1. 配置socket地址结构dest_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定到所有可用接口dest_addr.sin_family = AF_INET;                // IPv4dest_addr.sin_port = htons(UDP_PORT);          // 端口号（网络字节序）// 2. 创建UDP套接字sock = socket(addr_family, SOCK_DGRAM, ip_protocol);if (sock < 0){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Unable to create socket: errno %d", errno);goto cleanup;}ESP_LOGI(UDP_TAG, "Socket created");// 设置socket为非阻塞模式int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);// 3. 绑定socket到指定端口int err = bind(sock, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));if (err < 0){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Socket unable to bind: errno %d", errno);goto cleanup;}ESP_LOGI(UDP_TAG, "Socket bound, port %d", UDP_PORT);// 4. 加入组播组struct ip_mreq imreq;imreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr(MULTICAST_IP);imreq.imr_interface.s_addr = INADDR_ANY;err = setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &imreq, sizeof(struct ip_mreq));if (err < 0){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Failed to join multicast group: errno %d", errno);}else{ESP_LOGI(UDP_TAG, "Joined multicast group %s", MULTICAST_IP);}// 5. 消息接收循环while (udp_client_state != UDP_CLIENT_STOPPED){// 检查事件EventBits_t bits = xEventGroupWaitBits(udp_event_group,UDP_PAUSE_BIT | UDP_RESUME_BIT | UDP_STOP_BIT,pdTRUE,  //等待任意一位pdFALSE, //退出前清除0);      //不等待，判断完直接返回if (bits & UDP_STOP_BIT){ESP_LOGI(UDP_TAG, "Stop signal received");break;}else if (bits & UDP_PAUSE_BIT){ESP_LOGI(UDP_TAG, "Pause signal received");udp_client_state = UDP_CLIENT_PAUSED;}else if (bits & UDP_RESUME_BIT){ESP_LOGI(UDP_TAG, "Resume signal received");udp_client_state = UDP_CLIENT_RUNNING;}// 如果处于暂停状态，等待恢复if (udp_client_state == UDP_CLIENT_PAUSED){vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);continue;}// 接收UDP数据包struct sockaddr_storage source_addr;socklen_t socklen = sizeof(source_addr);int len = recvfrom(sock, rx_buffer, sizeof(rx_buffer) - 1, 0,(struct sockaddr *)&source_addr, &socklen);if (len < 0){if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK){// 非阻塞模式下没有数据可读vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);continue;}else{ESP_LOGE(UDP_TAG, "recvfrom failed: errno %d", errno);break;}}else if (len > 0){// 获取发送方IP地址if (source_addr.ss_family == PF_INET){inet_ntoa_r(((struct sockaddr_in *)&source_addr)->sin_addr,addr_str, sizeof(addr_str) - 1);}rx_buffer[len] = 0; // 添加字符串结束符ESP_LOGI(UDP_TAG, "Received %d bytes from %s: %s", len, addr_str, rx_buffer);// 尝试解析JSON格式的管理终端IPif (parse_server_ip_from_json(rx_buffer, server_ip, sizeof(server_ip))){ESP_LOGI(UDP_TAG, "Successfully parsed server IP: %s", server_ip);// 如果设置了回调函数，则调用它if (json_callback != NULL){json_callback(server_ip);}}else{ESP_LOGW(UDP_TAG, "Failed to parse JSON or extract server IP");}}vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);}// 错误集中处理
cleanup:if (sock >= 0){close(sock);ESP_LOGI(UDP_TAG, "Socket closed");}udp_client_state = UDP_CLIENT_STOPPED;udp_task_handle = NULL;ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client task ended");// 清理事件组if(udp_event_group){vEventGroupDelete(udp_event_group);udp_event_group = NULL;}// 清理队列if (ui_receive_ip_queue) {vQueueDelete(ui_receive_ip_queue);ui_receive_ip_queue = NULL;}vTaskDelete(NULL);
}/*** @brief 初始化UDP客户端** @param callback 用户自定义的回调函数*/
void app_udp_multicast_receiver_init(udp_json_callback_t callback)
{if (udp_task_handle != NULL){ESP_LOGW(UDP_TAG, "UDP client task already running");return;}// 设置回调函数json_callback = callback;ESP_LOGI(UDP_TAG, "JSON callback %s", callback ? "set" : "cleared");// 创建事件组if (udp_event_group == NULL){udp_event_group = xEventGroupCreate();if (udp_event_group == NULL){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Failed to create event group");return;}}// 创建队列if (ui_receive_ip_queue == NULL){ui_receive_ip_queue = xQueueCreate(1, sizeof(char *));if (ui_receive_ip_queue == NULL){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Failed to create queue");return;}}// 创建UDP接收任务BaseType_t ret = xTaskCreate(udp_multicast_receiver_task,"udp_multicast_receiver_task",UDP_TASK_STACK_SIZE, NULL, UDP_TASK_PRIORITY, &udp_task_handle);if (ret != pdPASS){ESP_LOGE(UDP_TAG, "Failed to create UDP client task");udp_task_handle = NULL;}else{ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client started");}
}/*** @brief 暂停UDP任务**/
void app_udp_client_pause(void)
{if (udp_event_group != NULL && udp_client_state == UDP_CLIENT_RUNNING){xEventGroupSetBits(udp_event_group, UDP_PAUSE_BIT);ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client pause requested");}else{ESP_LOGW(UDP_TAG, "UDP client is not running, cannot pause");}
}/*** @brief 恢复UDP任务**/
void app_udp_client_resume(void)
{if (udp_event_group != NULL && udp_client_state == UDP_CLIENT_PAUSED){xEventGroupSetBits(udp_event_group, UDP_RESUME_BIT);ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client resume requested");}else{ESP_LOGW(UDP_TAG, "UDP client is not paused, cannot resume");}
}/*** @brief 结束UDP任务，将任务删除*        注意：该函数不能在用户自定义回调函数里调用，会强制删除任务**/
void app_udp_client_stop(void)
{if (udp_event_group != NULL && udp_client_state != UDP_CLIENT_STOPPED){xEventGroupSetBits(udp_event_group, UDP_STOP_BIT);ESP_LOGI(UDP_TAG, "UDP client stop requested");// 等待任务结束if (udp_task_handle != NULL){// 等待最多5秒让任务自然结束for (int i = 0; i < 50 && udp_task_handle != NULL; i++){vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);}// 如果任务仍然存在，强制删除if (udp_task_handle != NULL){vTaskDelete(udp_task_handle);udp_task_handle = NULL;ESP_LOGW(UDP_TAG, "UDP client task force deleted");}}// 清理事件组if (udp_event_group) {vEventGroupDelete(udp_event_group);udp_event_group = NULL;}// 清理队列if (ui_receive_ip_queue) {vQueueDelete(ui_receive_ip_queue);ui_receive_ip_queue = NULL;}udp_client_state = UDP_CLIENT_STOPPED;}else{ESP_LOGW(UDP_TAG, "UDP client is already stopped");}
}/*** @brief 获取UDP任务的状态** @return udp_client_state_t UDP任务状态枚举类型*/
udp_client_state_t udp_client_get_state(void)
{return udp_client_state;
}