Luat系列教程：5、socket代码详解

TCP和UDP除了在lua代码声明时有一些不同，其他地方完全一样，所以下面的代码将以TCP长连接的数据收发作为示例，如果需要UDP连接，只需要改声明对象时的三个字母即可。

>阅读本文需要具有的技能：
看过该系列前几篇文章或明白前几篇文章内容的
熟悉lua语法，尤其是数组部分
可以明白字符串、字节码之间的区别
可以自己实践操作
对tcp/udp通讯有基本的了解
用过这东西

各位想看mqtt解释的，请等待下一篇文章，不过也可以顺便看看这一篇嘛，二者都差不多的

# Socket(TCP/UDP)

TCP和UDP除了在lua代码声明时有一些不同，**其他地方完全一样**，所以下面的代码将以TCP长连接的数据收发作为示例，**如果需要UDP连接，只需要改声明对象时的三个字母即可**。

## 先定义一个假装能用来测试的TCP协议（需求）

- 客户端**每10秒**发送一条字符串`heart beat`
- 客户端接收到`back`开头的数据要**回复相同的数据**
- 客户端收到`bin`要**回复二进制数组**`0x11 0x22 0x33`
- 客户端收到`time`要回复当前时间的**时间戳字符串**

示例时序如下：

[![](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-5jS7Adof5b80ced3d77c1.png)](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-5jS7Adof5b80ced3d77c1.png)

## 代码详解

### 官方demo提供的示例代码

官方代码可以在[github](https://github.com/openLuat/Luat_2G_RDA_8955/)的`Luat_2G_RDA_8955/script_LuaTask/demo/socket/longConnection`目录或luatools的`LuaTools 1.x.x\script\script_LuaTask\demo\socket\longConnection`目录找到

如果你能看懂官方例程，**那么可以直接去使用，不需要再看本文了**

### socket连接代码的拆解分析

这一部分会将官方demo的代码拆开来，只保留基础部分，放到一个文件中来解释

#### 建立文件

首先先新建两个文件，用于测试这个工程

main.lua
```lua
PROJECT = "SOCKET-TEST"
VERSION = "1.0.0"

--根据固件判断模块类型
moduleType = string.find(rtos.get_version(),"8955") and 2 or 4

require "log"
LOG_LEVEL = log.LOGLEVEL_TRACE

require "sys"

--每1分钟查询一次GSM信号强度,每1分钟查询一次基站信息
require "net"
net.startQueryAll(60000, 60000)

--加载硬件看门狗功能模块
--如果用的是720 4g模块，请注释掉这两行
require "wdt"
wdt.setup(pio.P0_30, pio.P0_31)

--加载网络指示灯功能模块
require "netLed"
netLed.setup(true,moduleType == 2 and pio.P1_1 or pio.P2_0,moduleType == 2 and nil or pio.P2_1)

require"longlink"

--启动系统框架
sys.init(0, 0)
sys.run()
```

longlink.lua
```lua
module(...,package.seeall)

require"socket"
--下面代码一会儿写
```

#### 找一个测试用的服务器

2G模块socket测试和wifi有着本质的区别：没法使用内网来调试，必须要使用一个公网服务器来调试

为了解决这个问题，luat官方提供了一个tcp测试实验室网站服务：[http://tcplab.openluat.com/](http://tcplab.openluat.com/ "http://tcplab.openluat.com/")
这个工具有一个坏处，就是三分钟没有客户端连接的话就会被强行关闭服务。我们可以在本地用一个tcp调试工具提前连上，就不会被强制关闭服务了。

打开后可以直接获取从服务器分配的ip、端口，还能接收客户端数据、主动发送数据
记住自己获取到的ip和端口，在下面的代码中会被使用到

#### 建立socket线程

一般来说，socket连接都是异步运行的，何时应该发送数据，何时应该接收数据，这些逻辑应该让socket收发的进程自己进行控制

所以我们在`longlink.lua`中添加一个新的线程（看不懂的回去看前几篇文章），文件改成如下（`注意要自己改东西！`）：

longlink.lua
```lua
module(...,package.seeall)

require"socket"

--测试用的服务器信息，上一部分获取到的那个
local testip,testport = "",""

--启动socket客户端任务
sys.taskInit(
function()
    while true do
    --该区域的代码会永久循环运行（除非出现语法错误）
    end
end)
```

#### 进行socket连接

一般来说，我们会在模块成功获取基站分配的ip后，才会进行网络的连接操作，所以我们需要使用`socket.isReady()`函数来判断是否连接网络，然后再进行网络操作

在成功获取ip后，我们才能新建一个tcp对象，对其进行联网操作，socket客户端线程代码改为如下：

```lua
--启动socket客户端任务
sys.taskInit(
function()
    while true do
        --是否获取到了分配的ip(是否连上网)
        if socket.isReady() then
            --新建一个socket对象，如果是udp只需要把tcp改成udp即可
            local socketClient = socket.tcp()
            --尝试连接指定服务器
            if socketClient:connect(testip,testport) then
                --连接成功
                log.info("longlink.socketClient","connect success")
            else
                log.info("longlink.socketClient","connect fail")
                --连接失败
            end
        else
            --没连上网，原地等待一秒，一秒后会循环回去重试
            sys.wait(1000)
        end
    end
end)
```

#### 对连接失败的处理

上述代码只是一个简单的连接服务器的代码，并且连上之后没有进行任何的其他操作

为了增加代码的稳健性，我们可以利用`sys.waitUntil()`函数，设置五分钟内没有获取到ip就开启飞行模式几秒，再关闭，让模块重新去获取GPRS连接：

```lua
--启动socket客户端任务
sys.taskInit(
function()
    while true do
        --是否获取到了分配的ip(是否连上网)
        if socket.isReady() then
            --新建一个socket对象，如果是udp只需要把tcp改成udp即可
            local socketClient = socket.tcp()
            --尝试连接指定服务器
            if socketClient:connect(testip,testport) then
                --连接成功
                log.info("longlink.socketClient","connect success")
            else
                log.info("longlink.socketClient","connect fail")
                --连接失败
            end
        else
            --没连上网
            --等待网络环境准备就绪，超时时间是5分钟
            sys.waitUntil("IP_READY_IND",300000)
            --等完了还没连上？
            if not socket.isReady() then
                --进入飞行模式，20秒之后，退出飞行模式
                net.switchFly(true)
                sys.wait(20000)
                net.switchFly(false)
            end
        end
    end
end)
```

同样，我们也可以给`socketClient:connect(testip,testport)`的连接加上错误次数的判断，连接错误超过五次，强制断开socket连接,等待五秒后重试：

```lua
--启动socket客户端任务
sys.taskInit(
function()
    local retryConnectCnt = 0   --失败次数统计
    while true do
        --是否获取到了分配的ip(是否连上网)
        if socket.isReady() then
            --新建一个socket对象，如果是udp只需要把tcp改成udp即可
            local socketClient = socket.tcp()
            --尝试连接指定服务器
            if socketClient:connect(testip,testport) then
                --连接成功
                log.info("longlink.socketClient","connect success")
                retryConnectCnt = 0 --失败次数清零
            else
                log.info("longlink.socketClient","connect fail")
                --连接失败
                retryConnectCnt = retryConnectCnt+1 --失败次数加一
            end
            socketClient:close()    --断开socket连接
            if retryConnectCnt>=5 then  --失败次数大于五次了
                link.shut()         --强制断开TCP/UDP连接
                retryConnectCnt=0   --失败次数清零
            end
            sys.wait(5000)
        else
            retryConnectCnt = 0     --没连上网，失败次数清零
            --没连上网
            --等待网络环境准备就绪，超时时间是5分钟
            sys.waitUntil("IP_READY_IND",300000)
            --等完了还没连上？
            if not socket.isReady() then
                --进入飞行模式，20秒之后，退出飞行模式
                net.switchFly(true)
                sys.wait(20000)
                net.switchFly(false)
            end
        end
    end
end)
```

#### 添加发送/接收处理函数

到了这一步，整个的socket线程只剩下`循环处理接收和发送的数据`这一部分与demo不同了，我们直接把这两句话加到socket线程的代码中吧：

--循环处理接收和发送的数据
                while true do
                    if not inMsgProcess(socketClient) then  --接收消息处理函数
                        log.error("longlink.inMsgProcess error")
                        break
                    end
                    if not outMsgprocess(socketClient) then --发送消息处理函数
                        log.error("longlink.outMsgprocess error")
                        break
                    end
                end

else
                log.info("longlink.socketClient","connect fail")
                --连接失败
                retryConnectCnt = retryConnectCnt+1 --失败次数加一
            end
            socketClient:close()    --断开socket连接
            if retryConnectCnt>=5 then  --失败次数大于五次了
                link.shut()         --强制断开TCP/UDP连接
                retryConnectCnt=0   --失败次数清零
            end
            sys.wait(5000)
        else
            retryConnectCnt = 0     --没连上网，失败次数清零
            --没连上网
            --等待网络环境准备就绪，超时时间是5分钟
            sys.waitUntil("IP_READY_IND",300000)
            --等完了还没连上？
            if not socket.isReady() then
                --进入飞行模式，20秒之后，退出飞行模式
                net.switchFly(true)
                sys.wait(20000)
                net.switchFly(false)
            end
        end
    end
end)
```

可以看到，在接收和发送函数不返回false的情况下，接收和发送循环会一直进行下去；只有当两个函数之一返回false时，才会触发break导致退出该接收和发送循环

##### inMsgProcess(socketClient)函数

这段的代码相对来说比较简单，我们可以直接使用`socketClient:recv(毫秒数)`来接收我们的tcp消息。
我们在合适的地方，新建一个`inMsgProcess(socketClient)`函数：

```lua
function inMsgProcess(socketClient)
    local result,data
    while true do
        result,data = socketClient:recv(2000)
        --接收数据
        if result then  --接收成功
            log.info("longlink.inMsgProcess",data)
            --处理data数据，现在还没代码，空着
        else    --接收失败
            break
        end
    end
    --返回结果，处理成功返回true，处理出错返回false
    return result or data=="timeout"
end
```

这段代码就是循环获取socket消息，如果没获取到，`socketClient:recv(2000)`就会返回`false,"timeout"`；如果获取到了，就会返回`true,获取到的数据字符串`；如果返回了`false,不为"timeout"`，则表示数据处理出错，说明socket连接有了什么问题

细心的读者可能看出来了，如果接收函数一直在2秒内有接收到数据，那么这段函数会永远无限循环下去，没办法到达`outMsgprocess(socketClient)`函数进行发送数据的操作，所以我们先去讲`outMsgprocess(socketClient)`函数的实现过程，再回来改进`inMsgProcess(socketClient)`函数

##### outMsgprocess(socketClient)函数

由于发送函数在socket线程中是一个循环的小部分，所以我们要建立一个消息发送的队列：有要发送的发数据时，将数据放到这个队列中；等运行到`outMsgprocess(socketClient)`函数时，将队列中的数据一个一个发出去

首先我们要建一个放这种队列的数组，在合适位置声明一下这个数组：

```lua
--数据发送的消息队列
local msgQuene = {}
```

接着我们构造一个可以往数组里插入数据的函数，`table.insert()`可以向数组添加数据，所以我们新建一个`insertMsg`函数：

```lua
local function insertMsg(data)
    table.insert(msgQuene,data)
end
```

还记得上面说过的`消息接收函数函数会永远无限循环下去`的问题吗？我们在合适的地方新建一个判断发送消息队列是否为空的函数：

```lua
function waitForSend()
    return #msgQuene > 0
end
```

在数组有数据时，这个函数会返回true，我们可以将`inMsgProcess(socketClient)`接收到数据后的代码添加一行判断发送队列是否有数据的代码，当检测到发送队列有数据时，就立即退出接收函数，转而去进行发送动作，接收函数最终改为了这样：

```lua
function inMsgProcess(socketClient)
    local result,data
    while true do
        result,data = socketClient:recv(2000)
        --接收到数据
        if result then  --接收成功
            log.info("longlink.inMsgProcess",data)
            --处理data数据，现在还没代码，空着
            --如果msgQuene中有等待发送的数据，则立即退出本循环
            if waitForSend() then return true end
        else    --接收失败
            break
        end
    end
    --返回结果，处理成功返回true，处理出错返回false
    return result or data=="timeout"
end
```

最后我们终于可以开始写消息发送函数了，整体的函数就是检查队列是否为空，不为空的话就发一条消息并将其从队列中删除，然后重复这一操作，函数代码如下：

```lua
function outMsgprocess(socketClient)
    --队列中有消息
    while #msgQuene>0 do
        --获取消息，并从队列中删除
        local outMsg = table.remove(msgQuene,1)
        --发送这条消息，并获取发送结果
        local result = socketClient:send(outMsg)
        --发送失败的话立刻返回nil（等同于false）
        if not result then return end
    end
    return true
end
```

#### 完成基本的socket线程

经过上述的更改，最终，`longlink.lua`已经实现了连接服务器并自动处理错误的功能，并且预留了消息接收以及向发送队列添加数据的接口，文件的所有代码如下：

longlink.lua
```lua
module(...,package.seeall)

require"socket"

--测试用的服务器信息
local testip,testport = "180.97.81.180","50798"

--数据发送的消息队列
local msgQuene = {}

local function insertMsg(data)
    table.insert(msgQuene,data)
end

function waitForSend()
    return #msgQuene > 0
end

function outMsgprocess(socketClient)
    --队列中有消息
    while #msgQuene>0 do
        --获取消息，并从队列中删除
        local outMsg = table.remove(msgQuene,1)
        --发送这条消息，并获取发送结果
        local result = socketClient:send(outMsg)
        --发送失败的话立刻返回nil（等同于false）
        if not result then return end
    end
    return true
end

function inMsgProcess(socketClient)
    local result,data
    while true do
        result,data = socketClient:recv(2000)
        --接收到数据
        if result then  --接收成功
            log.info("longlink.inMsgProcess",data)
            --处理data数据，现在还没代码，空着
            --如果msgQuene中有等待发送的数据，则立即退出本循环
            if waitForSend() then return true end
        else    --接收失败
            break
        end
    end
    --返回结果，处理成功返回true，处理出错返回false
    return result or data=="timeout"
end

--启动socket客户端任务
sys.taskInit(
function()
    local retryConnectCnt = 0   --失败次数统计
    while true do
        --是否获取到了分配的ip(是否连上网)
        if socket.isReady() then
            --新建一个socket对象，如果是udp只需要把tcp改成udp即可
            local socketClient = socket.tcp()
            --尝试连接指定服务器
            if socketClient:connect(testip,testport) then
                --连接成功
                log.info("longlink.socketClient","connect success")
                retryConnectCnt = 0 --失败次数清零

烧录到模块中，可以得到正常的连接结果：

[![](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-BEW4mw2z5b83d0723287a.png)](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-BEW4mw2z5b83d0723287a.png)

### 实现协议需求

#### 心跳包需求

这个需求极其简单，只需要建立一个新的线程，在联网后往消息队列中添加数据即可，代码如下：

```lua
--启动心跳包任务
sys.taskInit(
function()
    while true do
        if socket.isReady() then    --连上网再开始运行
            insertMsg("heart beat") --队列里塞个消息
            sys.wait(10000)         --等待10秒
        else    --没连上网别忘了延时！不然会陷入while true死循环，导致模块无法运行其他代码
            sys.wait(1000)          --等待1秒
        end
    end
end)
```

#### 收到back开头的数据要回复相同的数据

这一条功能十分简单，只需要在`inMsgProcess()`函数中，写了`--处理data数据，现在还没代码，空着`这段注释的地方添加相应代码即可，代码如下：

```lua
--处理data数据
if data:sub(1,4) == "back" then --收到back开头的数据要回复相同的数据
    insertMsg(data)
end
```

#### 客户端收到bin要回复二进制数组0x11 0x22 0x33

这个功能和上面差不多，返回的东西不一样而已，拼接字节码我们可以用pack，也可以直接用fromHex，下面两种方法都示范一下：

pack方式：
```lua
if data == "bin" then --收到bin要回复二进制数组0x11 0x22 0x33
    insertMsg(pack.pack(">bbb",0x11,0x22,0x33))
end
```
fromHex方式：
```lua
if data == "bin" then --收到bin要回复二进制数组0x11 0x22 0x33
    insertMsg(string.fromHex("112233"))
end
```

#### 收到time要回复当前时间的时间戳字符串

进行这个操作，要在开机的时候先同步一下时间，我们可以使用demo中的同步ntp来实现。在main.lua中的`启动系统框架`上方添加两行同步代码即可：

```lua
require"ntp"
ntp.timeSync()
```

接着和上面一样，在消息接收处返回需要的数据即可：

```lua
if data == "time" then --收到time要回复当前时间的时间戳字符串
    insertMsg(tostring(os.time()))
end
```

### 完整代码

经过上面的删删改改，功能以及基本实现了，整个文件的代码如下：

longlink.lua
```lua
module(...,package.seeall)

require"socket"

--测试用的服务器信息
local testip,testport = "180.97.81.180","50798"

--数据发送的消息队列
local msgQuene = {}

local function insertMsg(data)
    table.insert(msgQuene,data)
end

function waitForSend()
    return #msgQuene > 0
end

function inMsgProcess(socketClient)
    local result,data
    while true do
        result,data = socketClient:recv(2000)
        --接收到数据
        if result then  --接收成功
            log.info("longlink.inMsgProcess",data)
            --处理data数据
            if data:sub(1,4) == "back" then --收到back开头的数据要回复相同的数据
                insertMsg(data)
            elseif data == "bin" then --收到bin要回复二进制数组0x11 0x22 0x33
                insertMsg(string.fromHex("112233"))
            elseif data == "time" then --收到time要回复当前时间的时间戳字符串
                insertMsg(tostring(os.time()))
            end
            --如果msgQuene中有等待发送的数据，则立即退出本循环
            if waitForSend() then return true end
        else    --接收失败
            break
        end
    end
    --返回结果，处理成功返回true，处理出错返回false
    return result or data=="timeout"
end

--启动心跳包任务
sys.taskInit(
function()
    while true do
        if socket.isReady() then    --连上网再开始运行
            insertMsg("heart beat") --队列里塞个消息
            sys.wait(10000)         --等待10秒
        else    --没连上网别忘了延时！不然会陷入while true死循环，导致模块无法运行其他代码
            sys.wait(1000)          --等待1秒
        end
    end
end)
```

main.lua
```lua
PROJECT = "SOCKET-TEST"
VERSION = "1.0.0"

require "log"
LOG_LEVEL = log.LOGLEVEL_TRACE

require "sys"

--每1分钟查询一次GSM信号强度,每1分钟查询一次基站信息
require "net"
net.startQueryAll(60000, 60000)

--加载硬件看门狗功能模块
require "wdt"
wdt.setup(pio.P0_30, pio.P0_31)

--加载网络指示灯功能模块
require "netLed"
netLed.setup(true,pio.P1_1)

require"longlink"
require"ntp"
ntp.timeSync()

--启动系统框架
sys.init(0, 0)
sys.run()
```

## 验证功能

把最终代码烧录进去，按需求测试即可：

[![](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-sY7XgR6O5b83d08d9439d.png)](http://oldask.openluat.com/image/show/attachments-2018-08-sY7XgR6O5b83d08d9439d.png)

很明显，功能符合预期。

如有错误或疑问请在下方留言，谢谢！

发表于 2018-08-25 11:40
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Luat系列教程：5、socket代码详解

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