เครือข่าย TCP/IP และ UDP

ทำไมต้องรู้

ภาคสนามวันหนึ่ง โน้ตบุ๊กสถานีภาคพื้นเชื่อม Wi-Fi ได้ แต่ QGroundControl ไม่เห็นโดรน ปัญหาอาจอยู่ที่ที่อยู่ IP คนละวง พอร์ตผิด ไฟร์วอลล์บล็อก หรือสัญญาณอ่อนเกินไป ผู้ที่เข้าใจเครือข่ายเป็นชั้นจะไล่หาสาเหตุได้ทีละชั้น แทนที่จะลองสุ่มแก้ไปเรื่อย ๆ

ชั้นโปรโตคอลและการห่อหุ้มข้อมูล

โปรโตคอล (protocol) คือข้อตกลงว่าจะส่งข้อมูลรูปแบบใดและตอบสนองอย่างไร เครือข่ายอินเทอร์เน็ตแบ่งงานเป็นชั้น แต่ละชั้นทำหน้าที่เดียวและใช้บริการของชั้นล่าง ตำราของ Kurose และ Ross แบ่งเป็นห้าชั้น

เมื่อสถานีภาคพื้นส่งข้อความ MAVLink ข้อความจะถูก ห่อหุ้ม (encapsulate) ลงไปทีละชั้น เหมือนใส่จดหมายในซอง แล้วใส่ซองในกล่องพัสดุ

1. ชั้น แอปพลิเคชัน สร้างเฟรม MAVLink
2. ชั้น ทรานสปอร์ต เติมส่วนหัว UDP 8 ไบต์ ระบุ พอร์ต (port) ต้นทางและปลายทาง เพื่อบอกว่าส่งให้โปรแกรมใด
3. ชั้น เครือข่าย เติมส่วนหัว IPv4 อย่างน้อย 20 ไบต์ ระบุ ที่อยู่ IP ต้นทางและปลายทาง เพื่อบอกว่าส่งให้เครื่องใด
4. ชั้น ลิงก์ และ กายภาพ เช่น Wi-Fi แปลงเป็นเฟรมไร้สายและคลื่นวิทยุ

ฝั่งรับแกะซองย้อนกลับทีละชั้น ส่วนหัวเหล่านี้ทำให้ข้อมูลที่ส่งจริงมากกว่าข้อมูลของเรา

mavlink_bytes, rate_hz = 50, 10
udp_ip_header = 8 + 20
print(8 * mavlink_bytes * rate_hz, "bit/s at the MAVLink layer")
print(8 * (mavlink_bytes + udp_ip_header) * rate_hz, "bit/s including UDP and IPv4 headers")
print(f"header overhead {udp_ip_header / (mavlink_bytes + udp_ip_header):.0%}")

4000 bit/s at the MAVLink layer
6240 bit/s including UDP and IPv4 headers
header overhead 36%

ที่อยู่ IPv4 และ subnet

ที่อยู่ IPv4 ยาว 32 บิต เขียนเป็นเลขฐานสิบสี่ชุดคั่นด้วยจุด เช่น 192.168.10.20 ที่อยู่แบ่งเป็นสองส่วน คือส่วน เครือข่าย กับส่วน เครื่อง (host) การเขียนแบบ CIDR เช่น /24 บอกว่า 24 บิตแรกเป็นส่วนเครือข่าย เครื่องที่ส่วนเครือข่ายเหมือนกันอยู่ใน subnet เดียวกันและคุยกันได้โดยตรง

ใน subnet หนึ่งมีที่อยู่ $2^{32-p}$ ตัว แต่ที่อยู่แรกใช้เป็นชื่อเครือข่าย และที่อยู่สุดท้ายใช้กระจายข้อความถึงทุกเครื่อง (broadcast) จึงเหลือให้เครื่องใช้ $2^{32-p}-2$ ตัว

import ipaddress

net = ipaddress.ip_network("192.168.10.0/24")
print(net.num_addresses, net.num_addresses - 2, net.netmask, net.broadcast_address)
for sub in net.subnets(new_prefix=26):
    hosts = list(sub.hosts())
    print(sub, hosts[0], "-", hosts[-1], len(hosts), "hosts")

256 254 255.255.255.0 192.168.10.255
192.168.10.0/26 192.168.10.1 - 192.168.10.62 62 hosts
192.168.10.64/26 192.168.10.65 - 192.168.10.126 62 hosts
192.168.10.128/26 192.168.10.129 - 192.168.10.190 62 hosts
192.168.10.192/26 192.168.10.193 - 192.168.10.254 62 hosts

การแบ่ง /24 เป็น /26 สี่วง ช่วยแยกอุปกรณ์เป็นกลุ่ม เช่น วงแรกสำหรับสถานีภาคพื้น วงที่สองสำหรับโดรน โดยแต่ละวงยังมีที่อยู่ให้ใช้ 62 เครื่อง

RFC1918 = [ipaddress.ip_network(n) for n in ("10.0.0.0/8", "172.16.0.0/12", "192.168.0.0/16")]
for a in ["10.1.2.3", "172.20.0.5", "192.168.10.20", "8.8.8.8", "127.0.0.1", "169.254.7.9"]:
    ip = ipaddress.ip_address(a)
    rfc1918 = any(ip in n for n in RFC1918)
    print(f"{a:<14} rfc1918={rfc1918!s:<5} is_private={ip.is_private!s:<5} loopback={ip.is_loopback!s:<5} link_local={ip.is_link_local}")

10.1.2.3       rfc1918=True  is_private=True  loopback=False link_local=False
172.20.0.5     rfc1918=True  is_private=True  loopback=False link_local=False
192.168.10.20  rfc1918=True  is_private=True  loopback=False link_local=False
8.8.8.8        rfc1918=False is_private=False loopback=False link_local=False
127.0.0.1      rfc1918=False is_private=True  loopback=True  link_local=False
169.254.7.9    rfc1918=False is_private=True  loopback=False link_local=True

สังเกตว่า is_private ของ Python ให้ True กับ loopback และ link-local ด้วย เพราะนิยามของ Python คือ “ไม่ใช่ที่อยู่สาธารณะบนอินเทอร์เน็ตตามทะเบียนของ IANA” ซึ่งกว้างกว่า RFC 1918 ถ้าต้องการตรวจเฉพาะช่วงส่วนตัวของ RFC 1918 ต้องเขียนตรวจเอง

IPv6 ใช้ที่อยู่ยาว 128 บิต แก้ปัญหาที่อยู่ IPv4 ไม่พอ ส่วนหัวมีขนาดคงที่ 40 ไบต์ เครือข่ายมือถือและระบบคลาวด์ใช้ IPv6 มากขึ้นเรื่อย ๆ แต่เครือข่ายภาคสนามขนาดเล็กยังนิยม IPv4 ส่วนตัว

TCP กับ UDP

ชั้นทรานสปอร์ตมีโปรโตคอลหลักสองตัว

• TCP เริ่มด้วยการ จับมือสามขั้น (three-way handshake) รับประกันว่าข้อมูลครบและเรียงลำดับ ถ้าแพ็กเก็ตหายจะส่งซ้ำ เหมาะกับงานที่ข้อมูลต้องครบทุกไบต์ เช่น ดาวน์โหลดไฟล์ log หรือเว็บ
• UDP ส่งทีละ datagram โดยไม่จับมือ ไม่ยืนยัน และไม่ส่งซ้ำ มีส่วนหัวเพียง 8 ไบต์ เหมาะกับข้อมูลที่ต้องสดใหม่

MAVLink บนเครือข่าย IP นิยมใช้ UDP สถานีภาคพื้นเช่น QGroundControl รอรับที่ พอร์ต UDP 14550 เหตุผลคือ telemetry เป็นข้อมูลที่ข้อมูลใหม่มาแทนข้อมูลเก่าเสมอ ถ้าตำแหน่งเมื่อ 0.5 วินาทีก่อนหายไป การรอส่งซ้ำด้วย TCP จะยิ่งทำให้ข้อมูลใหม่ที่ตามมาต้องรอคิว ข้อมูลทั้งสายจึงล่าช้า การยอมเสียบางแพ็กเก็ตแต่ได้ข้อมูลล่าสุดเร็วกว่าจึงคุ้มกว่า

import socket

rx = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
rx.bind(("127.0.0.1", 0))
rx.settimeout(2)
port = rx.getsockname()[1]

tx = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
heartbeat = bytes.fromhex("fd 09 00 00 00 01 01 00 00 00 04 00 00 00 02 03 51 03 03 7e 22")
tx.sendto(heartbeat, ("127.0.0.1", port))

data, sender = rx.recvfrom(2048)
print(len(data), "bytes, first byte", hex(data[0]), "same as sent:", data == heartbeat, "from", sender[0])
tx.close()
rx.close()

21 bytes, first byte 0xfd same as sent: True from 127.0.0.1

โปรแกรมนี้ส่งเฟรม HEARTBEAT จากโมดูล 1 ผ่าน UDP บน loopback ในงานจริงให้ผูกพอร์ตรับเป็น 14550 แทน 0 (เลข 0 ให้ระบบเลือกพอร์ตว่างเอง ใช้เพื่อไม่ให้ชนกับโปรแกรมอื่นตอนทดสอบ) และควรตั้ง settimeout เสมอ ไม่เช่นนั้นโปรแกรมจะรอค้างตลอดไปถ้าไม่มีข้อมูลเข้ามา

ลิงก์ไร้สายและการลดทอนสัญญาณ

• Wi-Fi ตามมาตรฐาน IEEE 802.11 ใช้ย่าน 2.4, 5 และ 6 GHz รุ่นล่าสุด Wi-Fi 7 (IEEE 802.11be) ได้รับอนุมัติเดือนกันยายน 2024 และตีพิมพ์เดือนกรกฎาคม 2025 ระยะของ Wi-Fi ทั่วไปสั้น เหมาะกับงานในระยะสายตา
• เครือข่ายมือถือ 4G/5G มาตรฐาน 5G ชุดแรกคือ 3GPP Release 15 และ 3GPP มีข้อกำหนด TS 22.125 สำหรับรองรับอากาศยานไร้คนขับ เช่น การระบุตัวตนของโดรนและลิงก์ควบคุมผ่านเครือข่ายเซลลูลาร์
• วิทยุ telemetry เช่น SiK ใช้พอร์ตอนุกรม ไม่ได้ใช้ IP ส่งได้ไกลกว่า Wi-Fi แต่ช้ากว่ามาก

กำลังสัญญาณลดลงตามระยะแม้ไม่มีสิ่งกีดขวาง ITU-R P.525-5 ให้สูตร การลดทอนในที่โล่ง (free-space loss) ที่คลื่นแผ่กระจายออกเป็นทรงกลม ระยะเพิ่มสองเท่า การลดทอนเพิ่ม $20{\log }_{10}2\approx 6$ dB

import math


def fspl_db(d_m, f_hz):
    return 20 * math.log10(4 * math.pi * d_m * f_hz / 299_792_458)


for d in (500, 1000, 2000):
    loss = fspl_db(d, 2.4e9)
    received = 20 + 2 + 2 - loss - 2
    print(f"{d:>5} m  loss {loss:6.2f} dB  received {received:7.2f} dBm  margin {received + 90:5.2f} dB")
print(f"1000 m at 5.8 GHz {fspl_db(1000, 5.8e9):.2f} dB, at 433 MHz {fspl_db(1000, 433e6):.2f} dB")

  500 m  loss  94.03 dB  received  -72.03 dBm  margin 17.97 dB
 1000 m  loss 100.05 dB  received  -78.05 dBm  margin 11.95 dB
 2000 m  loss 106.07 dB  received  -84.07 dBm  margin  5.93 dB
1000 m at 5.8 GHz 107.72 dB, at 433 MHz 85.18 dB

ตั้งค่าเครือข่ายสถานีภาคพื้น

ขั้นตอนไล่ปัญหาเมื่อสถานีภาคพื้นไม่เห็นโดรน ให้ไล่จากชั้นล่างขึ้นบน

1. ลิงก์ เชื่อม Wi-Fi ถูกเครือข่ายหรือไม่ สัญญาณแรงพอหรือไม่
2. เครือข่าย ดูที่อยู่ของเครื่องด้วย ipconfig (Windows) หรือ ip addr (Linux) ว่าอยู่ใน subnet เดียวกันหรือไม่ ถ้าได้ 169.254.x.x แปลว่ายังไม่ได้ที่อยู่ ทดสอบถึงกันด้วย ping 192.168.10.30
3. ทรานสปอร์ต โดรนส่งไปพอร์ตที่สถานีภาคพื้นรอรับหรือไม่ และไฟร์วอลล์ของ Windows อนุญาต UDP 14550 หรือไม่
4. แอปพลิเคชัน ดูข้อมูลที่ไหลจริงด้วย Wireshark ตัวกรอง udp.port == 14550

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• เครือข่ายแบ่งเป็นชั้น ข้อมูลถูกห่อด้วยส่วนหัวของ UDP/TCP และ IP ก่อนออกทางลิงก์ ส่วนหัวเพิ่มภาระข้อมูลอย่างมีนัยสำคัญ
• ที่อยู่ IPv4 ยาว 32 บิต แบ่งเป็นส่วนเครือข่ายและส่วนเครื่องตาม prefix ต้องรู้จักที่อยู่ส่วนตัว loopback และ link-local
• TCP รับประกันความครบถ้วนแต่อาจล่าช้า UDP เร็วแต่ไม่รับประกัน telemetry ของ MAVLink จึงนิยมใช้ UDP พอร์ต 14550
• การลดทอนในที่โล่งเพิ่มประมาณ 6 dB ต่อระยะสองเท่า ไล่ปัญหาเครือข่ายจากชั้นล่างขึ้นบน

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. subnet /27 มีที่อยู่ให้เครื่องใช้ได้กี่ตัว
2. 172.31.5.9 อยู่ในช่วงส่วนตัวของ RFC 1918 หรือไม่
3. ส่งข้อความ MAVLink 40 ไบต์ 20 ครั้งต่อวินาทีผ่าน UDP/IPv4 ใช้กี่ bit/s เมื่อรวมส่วนหัว
4. ระยะเพิ่มจาก 1 km เป็น 4 km การลดทอนในที่โล่งเพิ่มขึ้นประมาณกี่ dB
5. โน้ตบุ๊กได้ที่อยู่ 169.254.12.3 บอกอะไร