CN116346944A - 基于udp的通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UDP的通信方法及系统，该方法包括：预先设定UDP报文中应用层报文的格式，所述应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型；第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路；在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；所述对方设备为所述第一设备或所述第二设备；如果所述通信链路正常，则采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。利用本发明方案，可以简单方便地实现不同设备之间的通信，并保证通信的稳定、可靠、高效性。

Description

基于UDP的通信方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)的通信方法及系统。
背景技术
PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)是一种数字运算操作的电子系统，其将计算机、自动控制和通讯技术融为一体，是实现单机、车间、工厂自动化的核心设备。
PLC具有逻辑控制、过程控制、运动控制、联网通信等多种功能，但由于PLC自身的局限性，为了满足用户在数据处理、人机交互、与其他系统，如ERP(Enterprise ResourcePlanning，企业资源计划)系统等交互方面的更高要求，通常需要将PLC与上位机通信，实现PLC网络化，扩大其联网功能。而实现该联网功能的基础是PLC能够与上位机进行可靠、稳定、高效率通信。
如图1所示，在现有技术中，PLC与上位机通信方式采用的是TCP/IP(TransmissionControl Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议)通信或者借助外部软件OPC(OLE(Object Linking and Embedding，对象连接与嵌入)for Process Control，应用于过程控制的OLE)进行通信。
如果采用TCP/IP完成通信，则需要上位机11和PLC12在TCP协议层进行编程，技术难度较大，而且通信开销大，要求PLC的内存较大，通信成本昂贵，一般大型PLC中使用，难以在中小企业中推广使用。
如果采用OPC完成通信，则需要借助OPC软件。首先，购买OPC软件需要授权，会增加成本；其次，PLC需要与上位机根据实际情况进行灵活处理各种数据，OPC很难达到要求。最后，如果OPC软件开发商未开发此类PLC，则会更难以完成两者之间的通信。
发明内容
本发明提供一种基于UDP的通信方法及系统，可以简单方便地实现不同设备之间的通信，并保证通信的稳定、可靠、高效性。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种基于UDP的通信方法，所述方法包括：
预先设定UDP报文中应用层报文的格式，所述应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度、消息类型；
第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路；、
在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；所述对方设备为所述第一设备或所述第二设备；
如果所述通信链路正常，则采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
可选地，所述协议消息头为8个字节。
可选地，所述第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路包括：
第一设备按照设定周期向第二设备发送第一UDP报文，所述第一UDP报文中的所述消息类型为心跳消息；
第二设备接收到所述第一UDP报文后，解析所述第一UDP报文中的所述消息类型确定所述消息类型为心跳消息，向第一设备返回第二UDP报文，所述第二UDP报文中的所述消息类型为心跳消息；
第一设备接收到所述第二UDP报文后，记录与第二设备的通信链路正常。
可选地，所述方法还包括：第一设备在发送所述第一UDP报文包后设定时间内未收到所述第二设备返回的所述第二UDP报文，记录与第二设备的通信链路异常。
可选地，所述将所述应用消息封装为UDP数据包包括：
将所述应用消息作为所述应用层报文中的用户数据，并添加协议消息头，协议消息头中的消息类型设置为应用消息；
为所述应用消息添加UDP首部，得到UDP数据包。
可选地，所述方法还包括：接收到所述对方设备返回的确认消息后，确定所述应用消息发送成功。
可选地，所述方法还包括：在确定所述应用消息发送失败后，记录与对方设备的通信链路异常。
可选地，所述心跳消息的消息类型为4；所述应用消息的消息类型为8；所述确认消息为UDP报文，所述确认消息的消息类型为2。
一种基于UDP的通信系统，所述系统包括：第一设备、以及一个或多个通过网络与所述第一设备连接的第二设备；
所述第一设备与所述第二设备利用UDP报文监测并维护通信链路；所述UDP报文中的应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型；
所述第一设备或所述第二设备在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包，并在所述通信链路正常时，采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
可选地，所述第一设备为上位机，所述第二设备为PLC或单片机；或者所述第一设备和所述第二设备均为单片机。
本发明提供的基于UDP的通信方法及系统，基于UDP实现不同设备之间的通信，通过设定UDP报文中应用层报文的格式，应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型。利用该格式的UDP报文，实现对通信链路的监测和维护，在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；在通信链路正常的情况下，采用丢失重传机制将UDP数据包发送给对方设备。相较于现有的基于TCP/IP或者基于OPC实现的通信，可以降低技术难度，减小通信开销及成本，尤其适用于小型PLC与上位机间的通信。可以实现两者间即时高效的通信；而且通过对链路连接的维护、并采用丢失重传机制和避免网络拥塞保证机制，有效地保障了通信的稳定性和可靠性。
本发明方案可以应用于上位机与PLC或单片机之间的通信，也可以应用于不同单片机之间的通信，尤其是在小型PLC领域有广泛的应用前景，可以大大降低PLC与上位机之间通信的使用成本，极大地促进工业化和信息化的通融。
附图说明
图1是现有技术中PLC与上位机通信方式示意图；
图2是本发明实施例中UDP报文中及其应用层报文的格式示意图；
图3是本发明实施例提供的基于UDP的通信方法的一种流程图；
图4是利用本发明方案实现上位机与PLC之间通信时的消息交互示意图；
图5是本发明实施例提供的基于UDP的通信系统的一种结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对现有的PLC与上位机的通信方式所存在的缺点，本发明实施例提供一种基于UDP的通信方法及系统，而且通过特定格式的UDP报文，可以使通信双方快速、高效地解析接收到的UDP报文，从而实现不同设备间基于UDP的快速、高效的通信，
下面首先对本发明实施例中的UDP报文格式做详细说明。
UDP报文的格式如图2所示，包括UDP首部和用户数据；其中，用户数据为应用层报文，在本发明实施例中，所述应用层报文设计为包括协议消息头和消息体两部分。其中，协议消息头可以包括：消息长度和消息类型这两个字段，进一步地，还可包括协议版本，还可包括备用字段。其中，各字段的含义如下：
消息版本，为本次消息架构设计的版本号；
消息长度，该消息的整体占用的字节(byte)总长度；
消息类型，为通信协议中，规定双方截取该字段后，消息类型的识别码。
在一种非限制性实施例中，可以将所述协议消息头设为8个字节。
在需要传送应用消息时，可所述应用消息放入所述消息体内，并添加相应的协议消息头，然后再对其添加UDP首部，即可完成UDP报文的封装，即将用户数据封装为UDP数据包，然后再将该UDP数据包提交到网络层发送，即给该UDP数据包添加IP头后发送给对方设备。
利用图2所示格式的UDP报文，本发明实施例提供的通信方法的一种流程图如图3所示，包括以下步骤：
步骤301，第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路。
具体地，第一设备可以按照设定周期向第二设备发送第一UDP报文，所述第一UDP报文中的所述消息类型为心跳消息。
相应地，第二设备接收到所述第一UDP报文后，解析所述第一UDP报文中的所述消息类型确定所述消息类型为心跳消息，向第一设备返回第二UDP报文，所述第二UDP报文中的所述消息类型为心跳消息。
相应地，第一设备接收到所述第二UDP报文后，记录与第二设备的通信链路正常。
进一步地，第一设备在发送所述第一UDP报文包后设定时间内未收到所述第二设备返回的所述第二UDP报文，记录与第二设备的通信链路异常。
需要说明的是，上述第一UDP报文和第二UDP报文的用户数据部分相同，只是UDP首部不同。
为了便于描述，将上述心跳消息表示为：Keepalive。
步骤302，在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；所述对方设备为所述第一设备或所述第二设备。
具体地，将所述应用消息作为图2所示应用层报文中的用户数据，也就是将其放入应用层报文的消息体中，并添加协议消息头，协议消息头中的消息类型设置为应用消息；然后为所述应用消息添加UDP首部，得到UDP数据包。
为了便于描述，将所述应用消息表示为：AppMessage。
步骤303，如果所述通信链路正常，则采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
需要说明的是，上述应用消息可以是第一设备发送给第二设备，也可以是第二设备发送给第一设备。
进一步地，在一种非限制性实施例中，第二设备或第一设备接收到对方设备返回的确认消息后，确定所述应用消息发送成功。
所述丢失重传机制是指在发送方发送UDP数据包后，如果在设定时间内未收到对方的确认消息(为了便于描述，将其表示为Ack)，则启动重传机制，重新发送UDP数据包。如果重新发送UDP数据包达到设定次数后，依然未收到来自接收方的确认消息(Ack)，则确定发送失败。
不论是第一设备还是第二设备，在确定所述应用消息发送失败后，记录与对方设备的通信链路异常。
综上所述，在本发明实施例中，需要用到三种消息，即心跳消息Keepalive，应用消息AppMessage，确定消息Ack。
利用本发明实施例提供的基于UDP的通信方法，可以简单方便地实现上位机与PLC或单片机之间的通信，或者不同单片机之间的通信。
以上位机与PLC之间的通信为例，两者之间需要交互的消息如图4所示。
在一种非限制性实施例中，对于上述三种消息可以设定各自对应的消息类型如下：
Ack：消息类型2；
Keepalive：消息类型4；
AppMessage：消息类型8。
在另一种非限制性实施例中，对于上述三种消息还可以设定各自对应的消息类型如下：
Ack：消息类型1；
Keepalive：消息类型2；
AppMessage：消息类型10。
当然，对上述各消息类型还可以有其它表示方式，对此本发明实施例不做限定。
通过上述消息头格式设计，将极大地提高PLC与上位机的通信效率。无论是上位机应用，还是PLC程序，在接到至对方发送的UDP报文，首先截取协议消息头，如果协议消息头中的消息类型为2，程序确认为确认消息(Ack)，即可确认对方消息投递完整，不再启动消息重发机制。如果消息类型为4，则确定为心跳消息KeepAlive，确认对方在设定的时间内保持激活状态。相应地，还需要向对方发送心跳消息KeepAlive，向对方表明自己在设定的时间内保持激活状态。如果消息类型为8，确认该消息为应用消息，在程序层面上，解析得到应用消息后需要做进一步的逻辑处理，而且还要在解析得到应用消息以后封装Ack消息，发送给对方，以通知对方消息已完整发送。
可见，本发明实施例中，利用由协议消息头和消息体组成的PLC与上位机通信消息，大大降低了两者之间通信的使用成本，极大提高了PLC与上位机的通信效率。
相应地，本发明实施例还提供一种基于UDP的通信系统，所述系统包括：第一设备、以及一个或多个通过网络与所述第一设备连接的第二设备。其中，所述第一设备为上位机，所述第二设备为PLC或单片机；或者所述第一设备和所述第二设备均为单片机。
以上位机和PLC为例，如图5所示，上位机501连接有三个PLC，分别为601、602、603。
以上位机501与PLC601通信为例，具体通信过程如下：
上位机501与PLC601利用UDP报文监测并维护通信链路；所述UDP报文中的应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型。
上位机501或PLC601在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包，并在所述通信链路正常时，采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
上述UDP报文的格式以及各消息的封装方式参见前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。
另外，上位机501与PLC601的更详细的通信过程可参见前面本发明方法实施例中的描述。
利用本发明方案实现不同单片机之间的通信过程与上述类似。
本发明提供的基于UDP的通信系统，基于UDP实现不同设备之间的通信，通过设定UDP报文中应用层报文的格式，应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型。利用该格式的UDP报文，实现对通信链路的监测和维护，在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；在通信链路正常的情况下，采用丢失重传机制将UDP数据包发送给对方设备。相较于现有的基于TCP/IP或者基于OPC实现的通信，可以降低技术难度，减小通信开销及成本，尤其适用于小型PLC与上位机间的通信。可以实现两者间即时高效的通信；而且通过对链路连接的维护、并采用丢失重传机制和避免网络拥塞保证机制，有效地保障了通信的稳定性和可靠性。
本发明方案可以应用于上位机与PLC或单片机之间的通信，也可以应用于不同单片机之间的通信，尤其是在小型PLC领域有广泛的应用前景，可以大大降低PLC与上位机之间通信的使用成本，极大地促进工业化和信息化的通融。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。而且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个网络单元上，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及系统，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于UDP的通信方法，其特征在于，所述方法包括：
预先设定UDP报文中应用层报文的格式，所述应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度、消息类型；
第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路；
在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包；所述对方设备为所述第一设备或所述第二设备；
如果所述通信链路正常，则采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述协议消息头为8个字节。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一设备与第二设备利用所述UDP报文监测并维护通信链路包括：
第一设备按照设定周期向第二设备发送第一UDP报文，所述第一UDP报文中的所述消息类型为心跳消息；
第二设备接收到所述第一UDP报文后，解析所述第一UDP报文中的所述消息类型确定所述消息类型为心跳消息，向第一设备返回第二UDP报文，所述第二UDP报文中的所述消息类型为心跳消息；
第一设备接收到所述第二UDP报文后，记录与第二设备的通信链路正常。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
第一设备在发送所述第一UDP报文包后设定时间内未收到所述第二设备返回的所述第二UDP报文，记录与第二设备的通信链路异常。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将所述应用消息封装为UDP数据包包括：
将所述应用消息作为所述应用层报文中的用户数据，并添加协议消息头，协议消息头中的消息类型设置为应用消息；
为所述应用消息添加UDP首部，得到UDP数据包。
6.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收到所述对方设备返回的确认消息后，确定所述应用消息发送成功。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在确定所述应用消息发送失败后，记录与对方设备的通信链路异常。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述心跳消息的消息类型为4；所述应用消息的消息类型为8；所述确认消息为UDP报文，所述确认消息的消息类型为2。
9.一种基于UDP的通信系统，其特征在于，所述系统包括：第一设备、以及一个或多个通过网络与所述第一设备连接的第二设备；
所述第一设备与所述第二设备利用UDP报文监测并维护通信链路；所述UDP报文中的应用层报文包括协议消息头和用户数据，所述协议消息头包括消息长度和消息类型；
所述第一设备或所述第二设备在需要向对方设备发送应用消息时，将所述应用消息封装为UDP数据包，并在所述通信链路正常时，采用丢失重传机制将所述UDP数据包发送给所述对方设备。
10.根据权利要求9所述的通信系统，其特征在于，所述第一设备为上位机，所述第二设备为PLC或单片机；或者所述第一设备和所述第二设备均为单片机。
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