AR Drone 無人機(jī)是一臺(tái)小型的 Linux，當(dāng)我們加入它提供的 WiFi 熱點(diǎn)的時(shí)候，我們就可以通過 192.168.1.1 來訪問無人機(jī)。

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）

無人機(jī)的通訊采用了 UDP 協(xié)議，UDP 是至今沿用并占有主導(dǎo)地位的傳輸層協(xié)議之一，而另一個(gè)是 TCP 協(xié)議。

我們暫且先聊聊 TCP 協(xié)議，或者我們稱之為傳輸控制協(xié)議，基于它操作和使用起來極其方便，現(xiàn)在幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)連接都是通過 TCP 來完成。 使用 TCP 協(xié)議的 API 非常直截了當(dāng)，當(dāng)你需要從一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)硬件設(shè)備的時(shí)候，TCP 可以被所有硬件設(shè)備支持。使用 TCP 有多簡單？一旦建立連接，你把數(shù)據(jù)寫入 socket，另一臺(tái)設(shè)備將從 socket 讀取數(shù)據(jù)，TCP 會(huì)確保數(shù)據(jù)正確的寫入并且傳輸給另一個(gè)設(shè)備。 許多復(fù)雜的細(xì)節(jié)隱匿其中。TCP 是基于 IP 層之上的，所有低級 IP 數(shù)據(jù)都不能按照其發(fā)送的順序到達(dá)，事實(shí)上，甚至有可能永遠(yuǎn)都等不到它。但是 TCP 隱藏了這個(gè)玄機(jī)，它在 Unix 管道上建模，TCP 同時(shí)也管理著吞吐量；它不斷的適應(yīng)并達(dá)到最大的帶寬利用率。它似乎確實(shí)有著神奇的魔力可以變出三冊總頁數(shù)超過2556頁的書來闡述它的魅力。 TCP/IP Illustrated: The Protocols，The Implementation, TCP for Transactions。

UDP，是傳輸層的另一個(gè)重要組成部分，也是一個(gè)相對簡單的協(xié)議，但是使用 UDP 對開發(fā)者來說很痛苦，當(dāng)你通過 UDP 發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，無法得知數(shù)據(jù)是否成功被接收，也不知道數(shù)據(jù)到達(dá)的順序，同樣得不到（在不被帶寬變化影響而丟失數(shù)據(jù)的情況下）我們發(fā)送數(shù)據(jù)可達(dá)的最大速度。

就是說，UDP 是一個(gè)非常簡單的模型：UDP 允許你在設(shè)備之間發(fā)送所謂的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包 (分組) 在另一端以同樣格式的數(shù)據(jù)包被接收（除非他們已經(jīng)在路上消失了）。

為了使用 UDP，一個(gè)應(yīng)用需要使用數(shù)據(jù)報(bào) socket，它在通訊兩端綁定了一個(gè) IP 地址和服務(wù)端口，并且因此建立了一個(gè)主機(jī)到主機(jī)的通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)給一個(gè)指定的 socket 可以從匹配的另一端 socket 接收。

注意，UDP 是一個(gè)無連接協(xié)議，這里不需要設(shè)置連接，socket 對從哪里發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)進(jìn)行簡單的跟蹤，當(dāng)然，建立在數(shù)據(jù)能夠被 socket 捕捉的基礎(chǔ)上。

UDP 以及 AR DRONE

AR Drone 的接口建立在三個(gè) UDP 端口上， 通過上面的討論我們知道 UDP 是一個(gè)還有待討論的設(shè)計(jì)方案，但是 Parrot 選擇了去實(shí)現(xiàn)它。

無人機(jī)的 IP 地址是 192.168.1.1， 并且這里有三個(gè)端口我們可以用來連接 UDP

導(dǎo)航控制數(shù)據(jù)端口 = 5554

機(jī)載視頻端口 = 5555

AT 指令端口 = 5556

我們需要利用 AT 指令集端口來發(fā)送命令到無人機(jī)，用導(dǎo)航數(shù)據(jù)端口來接收無人機(jī)返回的數(shù)據(jù)。其工作原理完全不同，因此只能分開討論兩者，即便如此，它們都依賴于 UDP socket 的。我們來看看這是如何實(shí)現(xiàn)的。

UDP API

首先非常奇怪的是，Apple 沒有為 UDP 的運(yùn)行提供 Objective-C helper 封裝。畢竟，這個(gè)協(xié)議甚至可以追溯到 1980 年，主因是幾乎沒有使用 UDP 的應(yīng)用，如果我們使用 UDP，至少訪問 UDP 的 Unix C API 將成為我們擔(dān)憂的一部分。因此大多數(shù)情況下我們會(huì)使用 TCP，而且對其來說，有很多 API 可供選擇。 C 語言的 API 我們使用了高級研究計(jì)劃署（發(fā)明互聯(lián)網(wǎng)的地方）定義在 sys/socket.h，netinet/in.h，arpa/inet.h 的方法。

創(chuàng)建 UDP socket

首先，用下面的語句來創(chuàng)建 socket

int nativeSocket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

PF_INET 是 socket 的域名，在這個(gè)例子中是互聯(lián)網(wǎng)，SOCK_DGRAM 定義了數(shù)據(jù)報(bào)的格式（相對于流式套接字）。最后，IPPROTO_UDP 定義了傳輸協(xié)議 UDP。socket 的工作方式類似于調(diào)用 open(2) 方法

接下來，我們創(chuàng)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，包括我們的地址和無人機(jī)的地址，結(jié)構(gòu)體中的 sockaddr_in 是套接字的地址，我們使用 sin_me 來定義自己的地址，以及 sin_other 來定義另一端的地址

struct sockaddr_in sin_me = {};
sin_me.sin_len = (__uint8_t) sizeof(sin);
sin_me.sin_family = AF_INET;
sin_me.sin_port = htons(0);
sin_me.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

struct sockaddr_in sin_other = {};
sin_other.sin_len = (__uint8_t) sizeof(sin_other);
sin_other.sin_family = AF_INET;
sin_other.sin_port = htons(self.port);
int r = inet_aton([self.address UTF8String], &sin_other.sin_addr)

用 ={} 來初始化結(jié)構(gòu)體總體來說是一個(gè)最佳實(shí)踐，可以不用考慮你使用什么結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗_保一切開始時(shí)為零的。否則這些值無論在堆棧上的任何情況下都將是不確定的，我們會(huì)很容易碰到奇怪而又少見的 bug。

接下來，我們要給 sockaddr_in 賦值，并且指定 sin_len 來讓其可用，這樣允許多個(gè)地址，sin_family 就是地址類型的一種。有一種一長串的地址協(xié)議簇，當(dāng)我們通過 internet 連接時(shí)候，總是用 IPv4 的 AF_INET 或者IPv6 的 AF_INET6，然后我們設(shè)置端口和 IP 地址。

在我們這邊，我們指定端口為 0，并且地址是 INADDR_ANY，0 端口意思是一個(gè)隨機(jī)的端口將會(huì)分配給我們的設(shè)備。 INADDR_ANY 則可以導(dǎo)入傳送路由數(shù)據(jù)包到另一端的地址（無人機(jī)）。

無人機(jī)的地址指定為 inet_aton(3), 它將轉(zhuǎn)換 C 字符串 192.168.1.1 成相應(yīng)的四字節(jié) 0xc0, 0xa2, 0x1, 0x1 - 作為無人機(jī)的IP地址。注意我們我們對地址和端口號(hào)調(diào)用了 htons(3) 和 htonl(3)。htons 是 host-to-network-short 的縮寫，htonl 是 host-to-network-long 的縮寫。 大多數(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (包括 IP) 是字節(jié)序是使用大端序 (big-endian)。為了確保數(shù)據(jù)按照正確的字節(jié)序發(fā)送我們需要調(diào)用這兩個(gè)功能。

現(xiàn)在我們綁定 socket 到我們的 socket 地址。

int r2 = bind(nativeSocket, (struct sockaddr *) &sin_me, sizeof(sin_me));

最后,我們通過下面的 socket 連到另一端 socket 地址:

int r3 = connect(nativeSocket, (struct sockaddr *) &sin_other, sizeof(sin_other));

最后一步是可選的，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候我們也可以指定目的地址。

在我們示例代碼中，這是在 -[DatagramSocket configureIPv4WithError:] 方法中實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)方法同時(shí)還進(jìn)行了一些錯(cuò)誤處理的操作。

發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)我們有一個(gè)可用的 socket 時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)就很簡單了。比如我們要發(fā)送一個(gè)叫做 data 的 NSData 對象時(shí)，我們需要調(diào)用：

ssize_t const result = sendto(nativeSocket, [data bytes], data.length, 0, NULL, 0);
if (result < 0) {
    NSLog(@"sendto() failed: %s (%d)", strerror(errno), errno);
} else if (result != data.length) {
    NSLog(@"sendto() failed to send all bytes. Sent %ld of %lu bytes.", result, (unsigned long) data.length);
}

注意，UDP 從設(shè)計(jì)的上就是不可靠的，一旦調(diào)用 sendto(2)，接下來網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸過程就不是我們可以控制的了。

接收數(shù)據(jù)

接收數(shù)據(jù)的核心非常簡單，這個(gè)方法叫做 recvfrom(2)， 包括兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)是 sin_other 指定了我們希望接受的數(shù)據(jù)的發(fā)送方，第二個(gè)參數(shù)是指向一個(gè)緩沖區(qū)的指針，的數(shù)據(jù)將被寫入其中。如果成功，這個(gè)方法返回讀取的字節(jié)數(shù)：

NSMutableData *data  = [NSMutableData dataWithLength:65535];
ssize_t count = recvfrom(nativeSocket, [data mutableBytes], [data length], 0, (struct sockaddr *) &sin_other, &length);
if (count < 0) {
    NSLog(@"recvfrom() failed: %s (%d)", strerror(errno), errno);
    data = nil;
} else {
    data.length = count;
}

一個(gè)值得注意的事情， recvfrom(2) 是一個(gè)阻塞方法，線程一旦調(diào)用這個(gè)方法，則會(huì)等待直到數(shù)據(jù)全部讀完。正常情況下這都不是我們想要的。運(yùn)用 GCD，我們可以設(shè)置一個(gè)事件源，每當(dāng) socket 有要讀取的數(shù)據(jù)它都能進(jìn)行初始化。對于讀取來自 socket 的數(shù)據(jù)來說這是一個(gè)推薦的做法。

在我們的例子中，DatagramSocket 類運(yùn)用了這個(gè)方法來設(shè)置事件源：

- (void)createReadSource
{
    self.readEventSource = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ, self.nativeSocket, 0, self.readEventQueue);
    __weak DatagramSocket *weakSelf = self;
    dispatch_source_set_event_handler(self.readEventSource, ^{
        [weakSelf socketHasBytesAvailable];
    });
    dispatch_resume(self.readEventSource);
}

數(shù)據(jù)源開始時(shí)處于暫停狀態(tài)，這就是為什么我們必須使用 dispatch_resume(3)。 否則，將不會(huì)有事件傳到數(shù)據(jù)源，-socketHasBytesAvailable 之后會(huì)對 recvfrom(2) 進(jìn)行調(diào)用。

默認(rèn)值

為了避免一個(gè)小問題，我們要重寫 nativeSocket 的屬性方法。

@property (nonatomic) int nativeSocket;

這樣來實(shí)現(xiàn)

@synthesize nativeSocket = _nativeSocket;
- (void)setNativeSocket:(int)nativeSocket;
{
    _nativeSocket = nativeSocket + 1;
}

- (int)nativeSocket
{
    return _nativeSocket - 1;
}

我們從內(nèi)部的實(shí)例變量里減 1，首先因?yàn)?Objective-C 運(yùn)行時(shí)保證在調(diào)用 -alloc 后所有實(shí)例變量初始值 0。其次，socket 只要為非負(fù)就被認(rèn)為是有效的，比如大于 0 的均為有效的 socket 數(shù)字。

通過這樣的偏移，即使 -init 沒有被調(diào)用，我們?nèi)匀豢梢园踩貦z查 socket 值是否已經(jīng)被設(shè)定。

整合在一起

在 DatagramSocket 類 中我們封裝了所有低級的 UDP socket 的工作。DroneCommunicator 類用來和無人機(jī)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)端口 5554 和 AT 指令集端口 5556 的通訊，就像這樣：

NSError *error = nil;
self.commandSocket = [DatagramSocket ipv4socketWithAddress:DroneAddress
                                                      port:ATCommandPort
                                           receiveDelegate:self
                                              receiveQueue:[NSOperationQueue mainQueue]
                                                     error:&error];

self.navigationDataSocket = [DatagramSocket ipv4socketWithAddress:DroneAddress
                                                             port:NavigationDataPort
                                                  receiveDelegate:self
                                                     receiveQueue:[NSOperationQueue mainQueue]
                                                            error:&error];

委托方法基于 socket 實(shí)現(xiàn)

- (void)datagramSocket:(DatagramSocket *)datagramSocket didReceiveData:(NSData *)data;
{
    if (datagramSocket == self.navigationDataSocket) {
        [self didReceiveNavigationData:data];
    } else if (datagramSocket == self.commandSocket) {
        [self didReceiveCommandResponseData:data];
    }
}

在我們的示例 app 里需要處理的只有導(dǎo)航數(shù)據(jù)，它被 DroneNavigationState 處理：

- (void)didReceiveNavigationData:(NSData *)data;
{
    DroneNavigationState *state = [DroneNavigationState stateFromNavigationData:data];
    if (state != nil) {
        self.navigationState = state;
    }
}

發(fā)送命令

當(dāng) UDP socket 創(chuàng)建并運(yùn)行后，發(fā)送的命令相對來說很很直接了。所謂的命令端口接受可以純 ASCII 命令， 看起來就像這樣：

AT*CONFIG=1,"general:navdata_demo","FALSE"
AT*CONFIG=2,"control:altitude_max","1600"
AT*CONFIG=3,"control:flying_mode","1000"
AT*COMWDG=4
AT*FTRIM=5

AR Drone SDK 包含了一個(gè)叫做 ARDrone Developer Guide 的 PDF 文檔，里面詳細(xì)介紹了所有的AT指令集。

我們在 DroneCommunicator 類中創(chuàng)造了一系列 helper 方法，使上述可以被發(fā)送：

[self setConfigurationKey:@"general:navdata_demo" toString:@"FALSE"];
[self setConfigurationKey:@"control:altitude_max" toString:@"1600"];
[self setConfigurationKey:@"control:flying_mode" toString:@"1000"];
[self sendCommand:@"COMWDG" arguments:nil];
[self sendCommand:@"FTRIM" arguments:nil];

所有的無人機(jī)指令以 AT* 開頭，跟著加上指令名以及 =，然后是被逗號(hào)隔開的參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是命令的序列號(hào)。

為了方便使用，這里我們創(chuàng)建了一個(gè)叫做 -sendCommand:arguments: 的方法，它會(huì)在索引的開始 (index 0) 的地方插入命令序列號(hào)

- (int)sendCommand:(NSString *)command arguments:(NSArray *)arguments;
{
    NSMutableArray *args2 = [NSMutableArray arrayWithArray:arguments];
    self.commandSequence++;
    NSString *seq = [NSString stringWithFormat:@"%d", self.commandSequence];
    [args2 insertObject:seq atIndex:0];
    [self sendCommandWithoutSequenceNumber:command arguments:args2];
    return self.commandSequence;
}

這里調(diào)用了 -sendCommandWithoutSequenceNumber:arguments:，這個(gè)方法加上了 AT* 前綴并且將命令和參數(shù)串接起來：

- (void)sendCommandWithoutSequenceNumber:(NSString *)command arguments:(NSArray *)arguments;
{
    NSMutableString *atString = [NSMutableString stringWithString:@"AT*"];
    [atString appendString:command];
    NSArray* processedArgs = [arguments valueForKey:@"description"];
    if (0 < arguments.count) {
        [atString appendString:@"="];
        [atString appendString:[processedArgs componentsJoinedByString:@","]];
    }
    [atString appendString:@"\r"];
    [self sendString:atString];
}

最后，將完成的字符串轉(zhuǎn)換為 NSData 并且傳給 socket：

- (void)sendString:(NSString*)string
{
    NSData *data = [string dataUsingEncoding:NSASCIIStringEncoding];
    if (data != nil) {
        [self.commandSocket asynchronouslySendData:data];
    } else {
        NSLog(@"Unable to convert string to ASCII: %@", string);
    }
}

浮點(diǎn)字符串編碼

因?yàn)橐恍┢婀值脑?，設(shè)計(jì)無人機(jī)協(xié)議的人規(guī)定了浮點(diǎn)值應(yīng)當(dāng)作為具有相同位模式的整數(shù)來發(fā)送。這確實(shí)蠻奇怪的，但我們只能遵守協(xié)議。

比如說我們需要讓無人機(jī)的前進(jìn)的相對速度是 0.5，浮點(diǎn)數(shù) 0.5 在二進(jìn)制看起來是：

0011 1111 0000 0000 0000 0000 0000 0000

我們在 32 位整形中重新解釋這個(gè)數(shù)的話，它是 1056964608，所以我們發(fā)送到無人機(jī)的命令是：

AT*PCMD=6,1,0,1056964608,0,0 

在我們的例子中，我們用一個(gè) NSNumber 的封裝來完成，這個(gè)代碼最終看起來像：

NSNumber *number = (id) self.flightState[i];
union {
    float f;
    int i;
} u;
u.f = number.floatValue;
[result addObject:@(u.i)];

這里的技巧是使用 union - C 語言的一個(gè)鮮為人知的部分。union 允許多個(gè)不同的類型（在這種情況下，是整數(shù)和浮點(diǎn)型）駐留在同一存儲(chǔ)區(qū)域。然后，我們將浮點(diǎn)值存儲(chǔ)到 u.f 并從 u.i 讀取整數(shù)值。

注意：使用像 int i = *((int *) &f) 這樣的代碼是不合法的，這不是正確的 C 代碼，并且會(huì)導(dǎo)致未定義的行為。生成的代碼有時(shí)會(huì)工作，但有時(shí)候不會(huì)。所以不要做無謂的嘗試。你可以通過多閱讀 llvm 博客中 Violating Type Rules 下的文章來了解更多。悲劇的是 AR Drone Developer Guide 就是把這里弄錯(cuò)了。