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Protocolo HTTP

Protocolo HTTP

Hypertext Transfer Protocol o HTTP (en español protocolo de transferencia de hipertexto) es el protocolo de comunicación que permite las transferencias de información en la WWW. Se trata de un protocolo de capa 7 de aplicación.

En arduino con la librería ethernet solo trabajamos con la capa de aplicación, todas las otras capas de la pila TCP/IP ya están implementadas por Hardware, ya sea con la ethernet shield o el módulo WiFi correspondiente. Aunque si queremos realizar algunas funciones de capas inferiores, podemos hacerlo con los comandos adecuados comunicándonos con el chip ethernet o wifi via SPI.

Veamos algunos protocolos de la capa de aplicación que serán los que tengamos que implementar en nuestro arduino directamente o usando la librería adecuada:

HTTP es un protocolo muy importante puesto que es el que se va a usar para comunicar Arduino con cualquier elemento de la WWW o de una intranet. En el IoT es uno de los protocolos más usados y sobre todo si queremos obtener o mandar datos a servidores o usar las APIs que nos ofrecen algunos servicios para obtención de información, por ejemplo, para obtener el tiempo meteorológico de la AEMET https://opendata.aemet.es/centrodedescargas/inicio y con esos datos que Arduino actúe de una forma u otra.

Hypertext Transfer Protocol o HTTP (en español protocolo de transferencia de hipertexto) es el protocolo usado en cada transacción de la World Wide Web. HTTP fue desarrollado por el World Wide Web Consortium y la Internet Engineering Task Force.

HTTP define la sintaxis y la semántica que utilizan los elementos de software de la arquitectura web (clientes, servidores, proxies) para comunicarse. Es un protocolo orientado a transacciones y sigue el esquema petición-respuesta entre un cliente y un servidor. Al cliente que efectúa la petición (un navegador web) se lo conoce como “user agent” (agente del usuario). A la información transmitida se la llama recurso y se la identifica mediante un localizador uniforme de recursos (URL).

HTTP es un protocolo sin estado, es decir, que no guarda ninguna información sobre conexiones anteriores. El desarrollo de aplicaciones web necesita frecuentemente mantener estado. Para esto se usan las cookies, que es información que un servidor puede almacenar en el sistema cliente. Esto le permite a las aplicaciones web instituir la noción de “sesión”, y también permite rastrear usuarios ya que las cookies pueden guardarse en el cliente por tiempo indeterminado.

Una transacción HTTP está formada por un encabezado seguido, opcionalmente, por una línea en blanco y algún dato. El encabezado especificará cosas como la acción requerida del servidor, o el tipo de dato retornado, o el código de estado. El uso de campos de encabezados enviados en las transacciones HTTP le dan gran flexibilidad al protocolo. Estos campos permiten que se envíe información descriptiva en la transacción, permitiendo así la autenticación, cifrado e identificación de usuario. Ejemplos de encabezados: HTTP_ACCEPT y HTTP_USER_AGENT.

Más información sobre HTTP:

Para intercambio de archivos por HTTP usamos MIME: http://es.wikipedia.org/wiki/Multipurpose_Internet_Mail_Extensions

Líneas de encabezado o headers, son muy importantes y dan información adicional de la conexión y el comportamiento puede cambiar en función de ellas:

Interesante HTTP quick guide: https://www.tutorialspoint.com/http/http_quick_guide.htm

Métodos de Petición HTTP

Lo más importante para comunicar arduino por HTTP con otros dispositivos, ya sean servidores, ordenadores, otros Arduinos, etc… es conocer los métodos GET y POST del protocolo HTTP. HTTP define 8 métodos que indica la acción que desea que se efectúe sobre el recurso identificado. Lo que este recurso representa, si los datos pre-existentes o datos que se generan de forma dinámica, depende de la aplicación del servidor. A menudo, el recurso corresponde a un archivo o la salida de un ejecutable que residen en el servidor.

GET

GET: Pide una representación del recurso especificado. Por seguridad no debería ser usado por aplicaciones que causen efectos ya que transmite información a través de la URI agregando parámetros a la URL. La petición puede ser simple, es decir en una línea o compuesta de la manera que muestra el ejemplo.

Ejemplo simple:

GET /images/logo.png HTTP/1.1 obtiene un recurso llamado logo.png

Ejemplo con parámetros:

GET /index.php?page=main&lang=es HTTP/1.1

POST

POST: Envía los datos para que sean procesados por el recurso identificado. Los datos se incluirán en el cuerpo de la petición. Esto puede resultar en la creación de un nuevo recurso o de las actualizaciones de los recursos existentes o ambas cosas.

Los otros métodos de HTTP:

Más información:

Entender los métodos get y post:

Un explicación muy buena de HTTP también se puede encontrar en:  http://www.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/webprogramming/HTTP_Basics.html

HTTP request

Un cliente HTTP debe formar una petición HTTP (request) al servidor de una forma determinada para que sea entendida por el servidor. Cuando Arduino trabaja como cliente hay que programar esta petición correctamente, sino el servidor nos mandará un mensaje de error.

Formación de un HTTP request, esta petición habrá que programar en Arduino:

Trama en HTTP, fijaros en el uso de cr (retorno de carro – carriage return – ASCII 13) y lf (line feed – nueva linea – ASCII 10): http://www1.ju.edu.jo/ecourse/abusufah/cpe532_Spr06/notes/BookOnLine/HTTP%20Request%20Message.htm

HTTP/1.1 se definió en el estándar RFC2616,que es la más usada actualmente. En junio de 2014 RFC2616 se retiró y HTTP/1.1 se redefinió en RFCs 7230, 7231, 7232, 7233, 7234, and 7235, HTTP/2 está en proceso de definición.

Y cuando usar GET o POST?: http://www.w3.org/2001/tag/doc/whenToUseGet.html#checklist

HTTP response

Después de recibir e interpretar el servidor un HTTP request, el servidor debe responder con un mensaje de respuesta:

Para cumplir con el protocolo HTTP, arduino debe implementar estas respuestas cuando lo uso como servidor web, como devolución a un request mandado por un cliente como puede ser un browser o navegador. De esta forma puedo implementar en Arduino una web embebida.

Por lo tanto Arduino podemos programarlo para comportarse como cliente, como servidor o como ambos.

Veamos esto gráficamente:

Ejercicio: Ver las tramas HTTP con las funciones de depuración del navegador y también con wireshark, un web sniffer on-line y algún plugin para el navegador.

Listado de web sniffers: http://scraping.pro/web-sniffers-review/

Servidor Web Embebido en Arduino

Para poder implementar un servidor web embebido en un Arduino e interactuar con él, se debe programar los mensajes http en Arduino para responder al navegador de forma adecuada.

La secuencia que se produce en una web embebida para encender y apagar un led es:

  • El navegador manda un http request GET a la IP de Arduino cuando pongo su IP en el navegador. p.e. http://192.168.1.15
  • Arduino recibe la petición que comienza por “GET / HTTP/1.1”
  • Arduino devuelve el http response con “HTTP/1.0 200K” y luego la web con el código html, haciendo print sobre el cliente ethernet y cierra la comunicación.
  • El navegador recibe el http respnse y muestra la web, en este caso un botón.
  • Al pulsar el botón en el navegador, el código HTML ya está configurado para mandar una petición POST.
  • Arduino recibe la petición que comienza por “POST / HTTP/1.1” y enciende o apaga el led según corresponda.
  • Luego Arduino muestra la web con el estado del led actualizado.

Ver este proceso con wireshark o con las herramienta de desarrollador del navegador pulsando F12.

Ver sketch en: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio40-Boton_Mejorado_DHCP

Diagrama de flujo:

Más información:

Programa botón para diferentes Arduino. Comparar:

Librerías HTTP

Libreria Webduino

Webduino es una librería muy popular que nos permite implementar un servidor web en nuestro Arduino.

La web del creador: https://code.google.com/p/webduino/

El reference de la librería: https://code.google.com/p/webduino/wiki/Documentation

Repositorio de la librería: https://github.com/sirleech/Webduino

Snippet Webduino en el playground: http://playground.arduino.cc/Main/WebduinoFileServer

Para Shields con Microchip ENC28J60 no es válida esta librería puesto que necesita SW adicional para implementar la pila TCP/IP.

Una presentación que explica como funciona: https://docs.google.com/presentation/d/1QUG4XJTK3jKtU-eYUfM1DvUdRaKBrp__LEwZQfz9s6E/edit#slide=id.i0

Hilo de soporte de la librería: http://forum.arduino.cc/index.php/topic,37851.0.html

Ejercicio 29-Webduino Entender cómo funciona la librería y ver el ejemplo webdemo

Luego hacer la aplicación web buzzer.

Streaming: http://arduiniana.org/libraries/streaming/

Class Templates: http://www.cprogramming.com/tutorial/templates.html

Solución en https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio29-Webduino

Otras Librerías

Otras librerías para implementar un servidor web en Arduino:

Y una librería para implementar un cliente HTTP:

Librería http client: https://github.com/amcewen/HttpClient

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Hardware Ethernet en Arduino

Para poder añadir conectividad de Ethernet a Arduino disponemos de varios tipos de Ethernet Shield y breakout boards, pero principalmente el chip que tiene el interfaz ethernet y la pila de protocolos TCP/IP es el chip Wiznet W5100 y más recientemente el W5500, pero podemos encontrarnos shields intermedios basados en el W5200. La librería a usar dependerá del chip ethernet usado al estilo de un driver en un ordenador.

Existen otras shields o breakout boards basadas en otros chips y con otras librerías como el ENC28J60:

Cómo elegir la correcta librería para añadir Ethernet cn enc28j60 a Arduino: http://www.homautomation.org/2014/10/27/how-to-choose-the-right-library-to-add-ethernet-enc28j60-to-your-arduino/

Ethernet Shield V1

El Arduino Ethernet Shield V1 nos da la capacidad de conectar un Arduino a una red ethernet. Es la parte física que implementa la pila de protocolos TCP/IP.

Ethernet Shield permite a una placa Arduino conectarse a internet. Está basada en el chip ethernet Wiznet W5100. El Wiznet W5100 provee de una pila de red IP capaz de soportar TCP y UDP. Soporta hasta cuatro conexiones de sockets simultáneas. Usa la librería Ethernet para escribir programas que se conecten a internet usando la shield.

Datasheet de W5100: https://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/Arduino/W5100_Datasheet_v1_1_6.pdf

Para manejar este shield disponemos de la librería Ethernet: http://arduino.cc/en/Reference/Ethernet

El shield provee un conector ethernet estándar RJ45. La ethernet shield dispone de unos conectores que permiten conectar a su vez otras placas encima y apilarlas sobre la placa Arduino.

Arduino usa los pines digitales 10, 11, 12, y 13 (SPI) para comunicarse con el W5100 en la ethernet shield. Estos pines no pueden ser usados para e/s genéricas. El botón de reset en la shield resetea ambos, el W5100 y la placa Arduino.

El jumper soldado marcado como “INT” puede ser conectado para permitir a la placa Arduino recibir notificaciones de eventos por interrupción desde el W5100, pero esto no está soportado por la librería Ethernet. El jumper conecta el pin INT del W5100 al pin digital 2 de Arduino.

La shield contiene varios LEDs para información:

  • ON: indica que la placa y la shield están alimentadas
  • LINK: indica la presencia de un enlace de red y parpadea cuando la shield envía o recibe datos
  • 100M: indica la presencia de una conexión de red de 100 Mb/s (de forma opuesta a una de 10Mb/s)
  • RX: parpadea cuando el shield recibe datos
  • TX: parpadea cuando el shield envía datos

Un tutorial sencillo para comenzar con el shield ethernet en: http://www.artinteractivo.com/arduino-ethernet

Para cualquier duda sobre el ethernet Shield consultar: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield

Puntos a recordar del Ethernet Shield:

  • Opera a 5V suministrados desde la placa de Arduino
  • El controlador ethernet es el W5100 con 16K de buffer interno. No consume memoria.
  • El shield se comunica con el microcontrolador por el bus SPI, por lo tanto para usarlo siempre debemos incluir la libreria SPI.h: http://arduino.cc/en/Reference/SPI
  • Soporta hasta 4 conexiones simultáneas
  • Usar la librería Ethernet para manejar el shield: http://arduino.cc/en/Reference/Ethernet
  • El shield dispone de un lector de tarjetas micro-SD que puede ser usado para guardar ficheros y servirlos sobre la red. Para ello es necesaria la librería SD: http://arduino.cc/en/Reference/SD
  • Al trabajar con la SD, el pin 4 es usado como SS.

Nuestro Arduino UNO se comunica con W5100 y la tarjeta SD usando el bus SPI a través del conector ICSP. Por este motivo los pines 10, 11, 12 y 13 en el UNO y los 50, 51, 52 y 53 en el Mega no podrán usarse. En ambas placas los pines 10 y 4 se usan para seleccionar el W5100 y la tarjeta SD.

El W5100 y el SD no pueden trabajar simultáneamente y debemos tener cuidado al usar ambos de forma conjunta.

El esquemático lo podéis encontrar en: http://arduino.cc/en/uploads/Main/arduino-ethernet-shield-06-schematic.pdf

El Ethernet shield es compatible con PoE gracias a un módulo adicional que extrae la energía eléctrica del cable ethernet, anteriormente inyectada desde el switch.

Las características del módulo PoE:

  • IEEE802.3af compliant
  • Low output ripple and noise (100mVpp)
  • Input voltage range 36V to 57V
  • Overload and short-circuit protection
  • 9V Output
  • High efficiency DC/DC converter: typ 75% @ 50% load
  • 1500V isolation (input to output)

Data sheet: http://arduino.cc/en/uploads/Main/PoE-datasheet.pdf

Ethernet Shield V2

Arduino Ethernet Shield V1 es una placa que aparece en la web de arduino.cc como retirado, pero sigue estando disponible como clones o versiones derivadas.

Existe una nueva versión del Ethernet Shield llamada Arduino Ethernet Shield 2 con el nuevo Wiznet 5500: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield

Este Shield usa la librería Ethernet 2 cuya sintaxis es igual que la librería Ethernet: https://www.arduino.cc/en/Reference/Ethernet

Data sheet de W5500: https://www.sos.sk/productdata/15/26/12/152612/W5500_datasheet_v1.0.2_1.pdf

Mejoras de W5500: https://feilipu.me/2014/11/16/wiznet-w5500-ioshield-a

Arduino Ethernet Shield 2:

Otros Arduinos con Ethernet

Existe un Arduino Ethernet que es casi igual a un arduino UNO + Ethernet Shield: https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardEthernet

También existe el Arduino Leonardo ETH que es casi lo mismo que un Arduino Leonardo + un Ethernet Shield 2: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLeonardoEth

Para las tarjetas basadas en el chip wiznet 5200:

Power over Ethernet

El Ethernet shield es compatible con PoE gracias a un módulo adicional que extrae la energía eléctrica del cable ethernet, anteriormente inyectada desde el switch.

Las características del módulo PoE:

  • IEEE802.3af compliant
  • Low output ripple and noise (100mVpp)
  • Input voltage range 36V to 57V
  • Overload and short-circuit protection
  • 9V Output
  • High efficiency DC/DC converter: typ 75% @ 50% load
  • 1500V isolation (input to output)

Data sheet: http://arduino.cc/en/uploads/Main/PoE-datasheet.pdf

Más información sobre el Power Over Ethernet:

Como funciona PoE: http://www.bb-elec.com/Learning-Center/All-White-Papers/Ethernet/Power-over-Ethernet-PoE.aspx

Phantom Feeding:

Alimentación sobre cables libres:

Práctica: Uso Ethernet Shield

IP Dinámica con Arduino. DHCP

Configurar Arduino con el ethernet shield de forma que coja la IP dinámicamente por DHCP y lo muestre por pantalla.

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio32-DHCP

IP Fija con Arduino

Configurar Arduino con el ethernet shield de forma que le asignamos una IP fija con la siguiente configuración:

  • IP: 192.168.6.1YY. Siendo YY el número = 30 + número del kit. Por ejemplo para el kit 4 la IP es la 192.168.6.134 y para el kit 16 la IP es es 192.168.6.146.
  • Subnent: 255.255.255.0
  • Gateway: 192.168.6.1
  • DNS: 8.8.8.8

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio33-Configurar_IP

Grabar Datos en Tarjeta SD

El Ethernet shield tiene disponible una ranura para tarjetas microSD. Arduino es capaz de leer y escribir en la tarjeta microSD mediante la librería SD: https://www.arduino.cc/en/Reference/SD

Leer la documentación de la librería SD y entender qué hace cada una de las clases y sus métodos.

Insertar una tarjeta microSD y hacer un programa que grabe los datos de temperatura en un archivo llamado temp_log.csv cada 5 segundos. Los datos a guardar son: segundos desde inicio con la función millis() y la temperatura del sensor TMP36.

Opcionalmente crear un menú con 3 opciones:

  • 1 – Muestra el último dato guardado en la SD
  • 2 – Vuelca el contenido del fichero temp_log.csv por consola
  • 3 – Borra el contenido del fichero

Esquema de conexión:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio34-SD_Datalogger

Protocolo TCP/IP

El modelo TCP/IP describe un conjunto de guías generales de diseño e implementación de protocolos de red específicos para permitir que un equipo pueda comunicarse en una red. TCP/IP provee conectividad de extremo a extremo especificando como los datos deberían ser formateados, direccionados, transmitidos, enrutados y recibidos por el destinatario.

Más información: https://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_TCP/IP

La importancia del modelo TCP/IP es que es el modelo usado para acceder a Internet o a redes internas (Intranet) de ordenadores. Arduino va a permitir conectarse a Internet o a una red interna mediante TCP/IP y poder realizar múltiples operaciones o usarse como pasarela para conectar a Internet dispositivos que no tienen esa capacidad. La implementación de la pila de protocolos de TCP/IP en Arduino se hace mediante un shield o HW adicional que nos da la capa de acceso a red (ethernet o WiFi), internet (IP) y transporte. La capa de aplicación deberemos implementarla dentro de Arduino ya sea directamente o mediante una librería.

En el caso del protocolo TCP/IP la pila OSI se simplifica:

Capa de Aplicación. Invoca programas que acceden servicios en la red. Interactúan con uno o más protocolos de transporte para enviar o recibir datos, en forma de mensajes o bien en forma de flujos de bytes.
Capa de Transporte. Provee comunicación extremo a extremo desde un programa de aplicación a otro. Regula el flujo de información. Puede proveer un transporte confiable asegurándose que los datos lleguen sin errores y en la secuencia correcta. Coordina a múltiples aplicaciones que se encuentren interactuando con la red simultáneamente de tal manera que los datos que envíe una aplicación sean recibidos correctamente por la aplicación remota, esto lo hace añadiendo identificadores de cada una de las aplicaciones. Realiza además una verificación por suma, para asegurar que la información no sufrió alteraciones durante su transmisión.
Capa Internet. Controla la comunicación entre un equipo y otro, decide qué rutas deben seguir los paquetes de información para alcanzar su destino. Conforma los paquetes IP que será enviados por la capa inferior. Desencapsula los paquetes recibidos pasando a la capa superior la información dirigida a una aplicación.
Capa de Interfaz de Red. Emite al medio físico los flujos de bit y recibe los que de él provienen. Consiste en los manejadores de los dispositivos que se conectan al medio de transmisión.

Más información en: http://www.uca.edu.sv/investigacion/tutoriales/tcp-ip.html

Los elementos de red (switches, routers, etc…) no llegan hasta la última capa y se podría representar así la comunicación entre dos dispositivos.

Algunos elementos de la red de comunicación pueden llegar a capas superiores a la de red e incluso hasta la capa de aplicación como los firewalls para detectar ataques en capas superiores. Es el caso de firewalls de estado y de aplicación. Un cortafuegos de aplicación puede filtrar protocolos de capas superiores tales como FTP, TELNET, DNS, DHCP, HTTP, TCP, UDP y TFTP (GSS). Por ejemplo, si una organización quiere bloquear toda la información relacionada con una palabra en concreto, puede habilitarse el filtrado de contenido para bloquear esa palabra en particular. No obstante, los cortafuegos de aplicación resultan más lentos que los de estado.

Direccionamiento IP

TCP/IP utiliza un identificador denominado dirección internet o dirección IP, cuya longitud es de 32 bytes. La dirección IP identifica tanto a la red a la que pertenece una computadora como a ella misma dentro de dicha red.

  • Longitud de 32 bits.
  • Identifica a las redes y a los nodos conectados a ellas.
  • Especifica la conexión entre redes.
  • Se representan mediante cuatro octetos, escritos en formato decimal, separados por puntos.

Existen ciertas direcciones en cada clase de dirección IP que no están asignadas y que se denominan direcciones privadas. Las direcciones privadas pueden ser utilizadas por los hosts que usan traducción de dirección de red (NAT) para conectarse a una red pública o por los hosts que no se conectan a Internet. En una misma red no pueden existir dos direcciones iguales, pero sí se pueden repetir en dos redes privadas que no tengan conexión entre sí o que se conecten mediante el protocolo NAT. Las direcciones privadas son:

  • Clase A: 10.0.0.0 a 10.255.255.255 (8 bits red, 24 bits hosts).
  • Clase B: 172.16.0.0 a 172.31.255.255 (16 bits red, 16 bits hosts). 16 redes clase B contiguas, uso en universidades y grandes compañías.
  • Clase C: 192.168.0.0 a 192.168.255.255 (24 bits red, 8 bits hosts). 256 redes clase contiguas, uso de compañías medianas y pequeñas además de pequeños proveedores de internet (ISP).

Clases de direcciones IP:

Clases Número de Redes Número de Nodos Rango de Direcciones IP
A 127 16,777,215 1.0.0.0 a la 127.0.0.0
B 4095 65,535 128.0.0.0 a la 191.255.0.0
C 2,097,151 255 192.0.0.0 a la 223.255.255.0

Subredes en IP:

  • Las subredes deben identificarse usando una máscara de subred.
  • La máscara de subred es de cuatro bytes y para obtener el número de subred se realiza un operación AND lógica entre ella y la dirección IP de algún equipo.
  • La máscara de subred deberá ser la misma para todos los equipos de la red IP.

El enrutamiento sirve para alcanzar redes distantes. Las direcciones IP se agrupan en clases. Ahora bien para cada clase se pueden contar con un número determinados de subredes. Las subredes son redes físicas independientes que comparten la misma dirección IP (es decir aquella que identifica a la red principal). La pregunta entonces es ¿cómo se logra que equipos que comparten el mismo identificador de red pero se sitúan en redes físicas diferentes podrán comunicarse usando compuertas? La solución a este problema es determinando una máscara de dirección.

Supóngase que la dirección IP de  una equipo es 148.206.257.2. La máscara de subred es 255.255.255.0. El equipo por tanto está en la subred 148.206.257.0

Una dirección IP dinámica es una IP asignada mediante un servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) al usuario. La IP que se obtiene tiene una duración máxima determinada. El servidor DHCP provee parámetros de configuración específicos para cada cliente que desee participar en la red IP. Entre estos parámetros se encuentra la dirección IP del cliente.

Las IP dinámicas son las que actualmente ofrecen la mayoría de operadores. El servidor del servicio DHCP puede ser configurado para que renueve las direcciones asignadas cada tiempo determinado.

Más información de DHCP: http://es.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Host_Configuration_Protocol

Protocolo de Mensajes de Control de Internet ICMP (Internet Control Message Protocol)

  • Reporta sobre destinos inalcanzables.
  • Control de flujo de datagramas y congestión.
  • Controla los requerimiento de cambio de rutas entre compuertas.
  • Detecta rutas circulares o excesivamente largas.
  • Verifica la existencia de trayectorias hacia alguna red y el estatus de la misma.

La función de la dirección IPv6 es exactamente la misma que la de su predecesor IPv4, pero dentro del protocolo IPv6. Está compuesta por 128 bits y se expresa en una notación hexadecimal de 32 dígitos. IPv6 permite actualmente que cada persona en la Tierra tenga asignados varios millones de IPs, ya que puede implementarse con 3.4×10E38 hosts direccionables. La ventaja con respecto a la dirección IPv4 es obvia en cuanto a su capacidad de direccionamiento.

IPv6 admite 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 (340 sextillones de direcciones) —cerca de 6,7E17 (670 mil billones) de direcciones por cada milímetro cuadrado de la superficie de La Tierra.

Su representación suele ser hexadecimal y para la separación de cada par de octetos se emplea el símbolo “:”. Un bloque abarca desde 0000 hasta FFFF. Algunas reglas de notación acerca de la representación de direcciones IPv6 son:

Los ceros iniciales se pueden obviar.

Ejemplo: 2001:0123:0004:00ab:0cde:3403:0001:0063 -> 2001:123:4:ab:cde:3403:1:63

Los bloques contiguos de ceros se pueden comprimir empleando “::”. Esta operación sólo se puede hacer una vez.

Más información en: http://es.wikipedia.org/wiki/IPv6

Más información sobre el direccionamiento IP en: http://es.wikipedia.org/wiki/Direcci%C3%B3n_IP

Ethernet: http://es.wikipedia.org/wiki/Ethernet

Dirección MAC

En las redes, la dirección MAC (siglas en inglés de media access control; en español “control de acceso al medio”) es un identificador de 48 bits (6 bloques hexadecimales) que corresponde de forma única a una tarjeta o dispositivo de red. Se conoce también como dirección física, y es única para cada dispositivo. Está determinada y configurada por el IEEE (los últimos 24 bits) y el fabricante (los primeros 24 bits) utilizando el organizationally unique identifier. La mayoría de los protocolos que trabajan en la capa 2 del modelo OSI usan una de las tres numeraciones manejadas por el IEEE: MAC-48, EUI-48, y EUI-64, las cuales han sido diseñadas para ser identificadores globalmente únicos. No todos los protocolos de comunicación usan direcciones MAC, y no todos los protocolos requieren identificadores globalmente únicos.

Las direcciones MAC son únicas a nivel mundial, puesto que son escritas directamente, en forma binaria, en el hardware en su momento de fabricación.

En Arduino es importante poner la dirección MAC correcta para evitar problemas.

En el caso del shield ethernet, la MAC no está incluida en el integrado que implementa la pila de protocolos TCP/IP, sino que se debe configurar y eso lo hace Arduino desde el setup().

Más información en: http://es.wikipedia.org/wiki/Direcci%C3%B3n_MAC

Tutorial TCP/IP: http://www.uca.edu.sv/investigacion/tutoriales/tcp-ip.html

Nivel de Transporte: TCP y UDP

El protocolo UDP es un protocolo no orientado a conexión. Es decir cuando una máquina A envía paquetes a una máquina B, el flujo es unidireccional. La transferencia de datos es realizada sin haber realizado previamente una conexión con la máquina de destino (maquina B), y el destinatario recibirá los datos sin enviar una confirmación al emisor (la máquina A). Esto es debido a que la encapsulación de datos enviada por el protocolo UDP no permite transmitir la información relacionada al emisor. Por ello el destinatario no conocerá al emisor de los datos excepto su IP.

Su uso principal es para protocolos como DHCP, BOOTP, DNS y demás protocolos en los que el intercambio de paquetes de la conexión/desconexión son mayores, o no son rentables con respecto a la información transmitida, así como para la transmisión de audio y vídeo en real, donde no es posible realizar retransmisiones por los estrictos requisitos de retardo que se tiene en estos casos.

Más información:

La librería Ethernet de Arduino dispone de la clase EthernetUDP que permite enviar y recibir mensajes UDP. Ver https://www.arduino.cc/en/Reference/Ethernet

Al contrario que UDP, el protocolo TCP está orientado a conexión. Cuando una máquina A envía datos a una máquina B, la máquina B es informada de la llegada de datos, y confirma su buena recepción. Aquí interviene el control CRC de datos que se basa en una ecuación matemática que permite verificar la integridad de los datos transmitidos. De este modo, si los datos recibidos son corruptos, el protocolo TCP permite que los destinatarios soliciten al emisor que vuelvan a enviar los datos corruptos.

Muchos programas dentro de una red de datos compuesta por redes de ordenadores, pueden usar TCP para crear “conexiones” entre sí a través de las cuales puede enviarse un flujo de datos. El protocolo garantiza que los datos serán entregados en su destino sin errores y en el mismo orden en que se transmitieron. También proporciona un mecanismo para distinguir distintas aplicaciones dentro de una misma máquina, a través del concepto de puerto.

TCP da soporte a muchas de las aplicaciones más populares de Internet (navegadores, intercambio de ficheros, clientes FTP, etc.) y protocolos de aplicación HTTP, SMTP, SSH y FTP.

TCP usa el concepto de número de puerto para identificar a las aplicaciones emisoras y receptoras. Cada lado de la conexión TCP tiene asociado un número de puerto (de 16 bits sin signo, con lo que existen 65536 puertos posibles) asignado por la aplicación emisora o receptora. Los puertos son clasificados en tres categorías:

  • bien conocidos,
  • registrados, y
  • dinámicos/privados.

Los puertos bien conocidos son asignados por la Internet Assigned Numbers Authority (IANA), van del 0 al 1023 y son usados normalmente por el sistema o por procesos con privilegios. Las aplicaciones que usan este tipo de puertos son ejecutadas como servidores y se quedan a la escucha de conexiones. Algunos ejemplos son: FTP (21), SSH (22), Telnet (23), SMTP (25) y HTTP (80).

Los puertos registrados son normalmente empleados por las aplicaciones de usuario de forma temporal cuando conectan con los servidores, pero también pueden representar servicios que hayan sido registrados por un tercero (rango de puertos registrados: 1024 al 49151).

Los puertos dinámicos/privados también pueden ser usados por las aplicaciones de usuario, pero este caso es menos común. Los puertos dinámicos/privados no tienen significado fuera de la conexión TCP en la que fueron usados (rango de puertos dinámicos/privados: 49152 al 65535.

Los protocolos TCP y UDP usan el concepto de puerto. Un lista de los puertos bien conocidos es

Más información:

Conexión y Desconexión TCP/IP

El proceso de establecimiento de una conexión TCP se denomina “three way handshake” Durante el establecimiento de la conexión, se configuran algunos parámetros tales como el número de secuencia con el fin de asegurar la entrega ordenada de los datos y la robustez de la comunicación.

El método “three way handshake” crea una conexión entre cliente y servidor que se realiza mediante tres pasos donde el cliente y servidor intercambian paquetes SYN y ACK (acknowledgment) antes de de que la comunicación real comience.

Aunque es posible que un par de entidades finales comiencen una conexión entre ellas simultáneamente, normalmente una de ellas abre un socket en un determinado puerto TCP y se queda a la escucha de nuevas conexiones. Es común referirse a esto como apertura pasiva, y determina el lado servidor de una conexión.

El lado cliente de una conexión realiza una apertura activa de un puerto enviando un paquete SYN inicial al servidor como parte de la negociación en tres pasos. En el lado del servidor (este receptor también puede ser una PC o alguna estación terminal) se comprueba si el puerto está abierto, es decir, si existe algún proceso escuchando en ese puerto, pues se debe verificar que el dispositivo de destino tenga este servicio activo y esté aceptando peticiones en el número de puerto que el cliente intenta usar para la sesión. En caso de no estarlo, se envía al cliente un paquete de respuesta con el bit RST activado, lo que significa el rechazo del intento de conexión. En caso de que sí se encuentre abierto el puerto, el lado servidor respondería a la petición SYN válida con un paquete SYN/ACK. Finalmente, el cliente debería responderle al servidor con un ACK, completando así la negociación en tres pasos (SYN, SYN/ACK y ACK) y la fase de establecimiento de conexión. Es interesante notar que existe un número de secuencia generado por cada lado, ayudando de este modo a que no se puedan establecer conexiones falseadas (spoofing).

Más información:

La fase de finalización de la conexión utiliza una negociación en cuatro pasos (four-way handshake), terminando la conexión desde cada lado independientemente. Sin embargo, es posible realizar la finalización de la conexión en 3 fases; enviando el segmento FIN y el ACK en uno solo. Cuando uno de los dos extremos de la conexión desea parar su “mitad” de conexión transmite un segmento con el flag FIN en 1, que el otro interlocutor confirmará con un ACK. Por tanto, una desconexión típica requiere un par de segmentos FIN y ACK desde cada lado de la conexión.

Una conexión puede estar “medio abierta” en el caso de que uno de los lados la finalice pero el otro no. El lado que ha dado por finalizada la conexión no puede enviar más datos pero la otra parte si podrá.

Es importante conocer este apartado porque a pesar que esta negociación la hace el shield de Ethernet o Wifi y no se programa en Arduino, sirve para saber qué está pasando cuando Arduino actúa como cliente o servidor y poder hacer depuración cuando tenemos errores.

Todo este proceso o cualquier otro podemos verlo con una analizado de protocolos como wireshark: https://www.wireshark.org/

Práctica: Three Way Handshake

Ver con el wireshark el proceso de 3 way handshake:

Instalar wireshark de su página: https://www.wireshark.org/

Cargar el sketch de ejemplo de Arduino WebServer que puede encontrarse en Archivo — Ejemplos — Ethernet — Webserver

Desde el ordenador donde hemos instalado wireshark, abrir y comenzar a capturar datos. Para evitar la saturación de datos poner en wireshark el filtro: “ip.addr == 192.168.1.177” o la IP que hayamos configurado el Arduino.

NOTA: recordar que deben estar en la misma red y debemos configurar la IP correcta a nuestra red en el sketch Webserver.

Ver en  wireshark el intercambio de paquetes y los número de secuencia, así como la finalización de la comunicación.

Programación Visual con Visualino

Visualino es un entorno de programación visual que me permite hacer un programa con bloques tipo scratch y ver el código que se genera.

Al contrario que S4A y mBlock, Visualino está solo centrando en la programación de Arduino con un lenguaje de programación por bloques. Pero además, permite programar directamente la placa de Arduino y por tanto, hace innecesaria la conexión permanente al PC.

Los bloques generan el código de C/C++ en tiempo real en una ventana. El entorno es similar al del IDE de Arduino, con las mismas opciones principales: Verificar, Subir, Guardar, Cargar y Monitor.

Visualino ha sido creado por Víctor Ruiz: http://rvr.linotipo.es/

Visualino está basado en blockly al igual que bitBloq http://bitbloq.bq.com/ de BQ: https://developers.google.com/blockly/

Web: http://www.visualino.net/

Código: https://github.com/vrruiz/visualino/

Descargar: http://www.visualino.net/downloads/

Tutorial de uso: http://procomun.educalab.es/es/ode/view/1453974406581

Más información

Instalación Visualino

Como instalar Visualino: http://www.visualino.net/docs/windows.es.html

Visualino necesita el Arduino IDE para transferir los programas a la placas de Arduino.

Una configuración importante es la ruta del IDE de Arduino. Esta es la ruta al fichero ejecutable (EXE) que Visualino llamará para compilar y transferir los programas a las placas de Arduino. Si este fichero ejecutable no se encuentra, no podrá programar las placas, así que tenga cuidado.

Ejercicios

Medir voltaje con Visualino: http://rvr.typepad.com/wind/2015/04/visualino-how-to-measure-voltage-with-arduino.html

PDF con muchas más prácticas: https://lacienciaparatodos.files.wordpress.com/2017/02/prc3a1cticas-arduino-javier-fernc3a1ndez-panadero-05-02-2017.pdf

Más prácticas: http://agrega.educacion.es/visualizador-1/es/pode/presentacion/visualizadorSinSecuencia/visualizar-datos.jsp

Programación Visual con mBlock

mBlock es un entorno gráfico de programación basado en el editor Scratch 2.0 para introducir de forma sencilla la programación y robótica en el aula.

Hemos visto en otro capítulo otro entorno de programación basado también en Scratch, el Scratch 4 Arduino o S4A, que guarda muchas similitudes con mBlock.

mBlock tiene algunas características que lo hacen más adecuado para trabajar con robots. Con S4A, tenemos que tener conexión permanente entre el PC y el Arduino, bien por cable o por Bluetooth. Al usar mBlock no tenemos este problema, ya que nos permite elegir la forma en la que queremos trabajar: ejecutándose en tiempo real en el PC (como en S4A necesitando cargar un firmware en la placa) o cargando el programa en la placa de forma que podamos prescindir del PC.

Cuando cargamos el programa en la placa, como hacemos con el IDE de Arduino, nos permite hacer robots autónomos al no tener que estar siempre conectados al PC. Además al cargar los programas de esta forma se puede ver el equivalente en código del programa que hayamos diseñado con los bloques, de forma que nos puede ayudar durante la transición de entorno gráfico a código.

Otra ventaja es que mBlock nos permite definir qué pines vamos a querer usar como entradas y cuáles como salidas. Por el contrario en S4A vienen predefinidos y a la hora de construir robots puede ser un inconveniente.

También mBlock permite descargar unos paquetes a los que llama extensiones con nuevos bloques que no vienen en la versión estándar que nos descargamos, y gracias a ellos podemos trabajar con componentes que es imposible de utilizar con S4A.

Entorno Programación

El entorno de programación de mBlock es gratuito, funciona con varios tipos de sistemas operativos y se descarga desde http://www.mblock.cc/download/

Al estilo de Arduino, mBlock ha sacado una beta de un entorno de programación on-line en http://editor.makeblock.com/ide.html

Una vez instalado vemos lo siguiente:

mBlock se compone de 5 partes principalmente:

  • Grupo de instrucciones clasificadas por colores en las siguientes categorías:
    • Movimiento: Conjunto de instrucciones relacionadas con el control de los pines de la tarjeta de Arduino, así como el control del movimiento de cualquier personaje del escenario.
    • Apariencia: Instrucciones orientadas a modificar el aspecto de los personajes de nuestra aplicación. Para el caso de Arduino, es un conjunto de instrucciones que apenas se utiliza.
    • Sonido: Conjunto de instrucciones relacionadas con la elaboración de aplicaciones musicales, emitiendo sonidos y notas musicales.
    • Lápiz: Scratch nos ofrece la posibilidad de que los personajes dejen un rastro durante sus movimientos por el escenario como si arrastrase un lápiz durante su trayectoria.
    • Control: Las instrucciones incluídas en esta sección son impresindibles para crear la lógica de nuestros programas. Incluyen condicionales, bucles y llamadas de procedimientos.
    • Sensores: Instrucciones de iteración con el ratón, el teclado, sonidos y los personajes.
    • Operadores: operaciones matemáticas, lógicas y con cadenas de texto.
    • Variables: Instrucciones para el almacenamiento y gestión de datos.
  • Instrucciones de programación: Las instrucciones de cada grupo corresponden a instrucciones de programación.
  • Editor: Es la parte principal donde estructuramos y programamos nuestro programa.
    • Programas: Se compone de todas las instrucciones que hace funcionar el código que programemos.
    • Disfraces: Cada objeto puede tener diferentes apariencias o disfraces para utilizar a lo largo de nuestro programa.
    • Sonido: También es posible añadir o grabar sonidos y guardarlos para futuros usos.
  • Escenario o ventana principal: Es el resultado de nuestro programa.
  • Objetos y sprites: Distinguimos principalmente los objetos de tipo Arduino y Sprites.
    • Los objetos de tipo arduino son aquellos que interactúan con Arduino.
    • Los sprites son similares al entorno de scratch y no interactúan con Arduino.

Modo Ejecutar Programa desde PC

En este modo es necesario siempre tener el Arduino o el robot siempre conectado al PC.

Para usar este modo comenzaremos el programa con un bloque de la categoría “Eventos”, normalmente con el bloque de la bandera verde. Y debajo de este colocamos el resto de bloques del programa.

Para ejecutar el programa desde el PC, primero tenemos que seleccionar la placa y el puerto serie al que esté conectado el Arduino. Conectamos el cable USB al Arduino y seleccionamos la placa en “Placas->Arduino UNO” y el puerto en “Conectar->Puerto Serie”.

A continuación “Conectar->Actualizar Firmware” y esperamos a que termine de cargarlo.

Tutoriales de uso:

Modo Subir Programa a Arduino

En este modo no cargamos un firmware a la placa sino que sube el programa al Arduino. En este modo usamos como inicio del programa el bloque “Programa de Arduino” que se encuentra en la categoría “Robots”.

Para este modo pulsamos sobre el bloque “Programa de Arduino”  o vamos a “Editar->Modo Arduino”. En la parte derecha de la pantalla aparecerá una pantalla con algunas opciones nuevas y el equivalente en código del programa que hemos hecho con los bloques.

Luego para subir el sketch al ordenador pulsamos sobre el botón “Subir a Arduino” y esperamos a que termine de cargar.

Tutorial para usar Arduino con mBlock:

Más información:

GitHub oficial de Makeblock

Donde podrás encontrar todo el código fuente de las librerías, firmware,software, planos … https://github.com/Makeblock-official

Librerías de Makeblock para IDE Arduino https://github.com/Makeblock-official/Makeblock-Libraries que nos permite programar los robots de makeblock con el IDE de Arduino.

Programación con mBlock

Puesto que mBlock está basado en scratch 2.0 la programación es igual a Scratch y solo hay un grupo de bloques adicionales para manejar los puertos de Arduino o de los robots.

Buen tutorial de programación: http://www.atlantistelecom.com/es/downloads2/makeblock_bloques_de_programacion.pdf

Programación de El Cable Amarillo:

Aplicaciones Móviles

Makeblock Aplicación para controlar tus robos desde móviles y tablets con SO Android

Makeblock HD Aplicación para controlar los robots de Makeblock desde iOS e iPad   

mBlockly  Con esta aplicación podrás programar tus robots desde tu iPad mediante un entorno similar a Scratch

MakeBlock

MakeBlock es la marca del hardware para el que está desarrollado mBlock, pero que también podemos usar con Arduino.

Enlaces:

Learn de makeblock: http://learn.makeblock.com/en/

Imprimir en 3D las piezas de MakeBlock: https://grabcad.com/library/data-of-makeblock-parts-1

Placas MakeBlock

Placa basada en Arduino mCore: http://learn.makeblock.com/en/mcore/

Makeblock Orion: http://learn.makeblock.com/en/makeblock-orion/

Shield para convertir un Arduino en un makeblock Me UNO Shield:

Robots Educativos

Kits de Robots: http://store.makeblock.com/robot-kit-series-STEM

Maker Kits: http://store.makeblock.com/maker-kits-STEM

mBot: http://store.makeblock.com/product/mbot-robot-kit

mBot Ranger: http://store.makeblock.com/product/mbot-ranger-robot-kit

Robot Educativo mBot:

Ejercicios Propuestos

Listado de materiales y prácticas de El cable amarillo:

Dos ejemplos con mBlock muy buenos en http://www.prometec.net/mblock/:

  • Coche teledirigido con Bluetooth
  • Robot siguelineas

Propuestas didácticas: