手把手教之UDP協(xié)議棧如何實(shí)現(xiàn)（附代碼）

時(shí)間：2020-06-09 10:33:26

關(guān)鍵字： UDP協(xié)議代碼協(xié)議棧

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[導(dǎo)讀]前景為啥要自己寫(xiě)一個(gè)mini UDP的協(xié)議棧？因?yàn)槲覀兏赏低得氖虑椋。。?其實(shí)是為了不跑一個(gè)龐大的LWIP協(xié)議棧，通過(guò)自己寫(xiě)的mini udp協(xié)議棧截取數(shù)據(jù)包給設(shè)備升級(jí)。這樣節(jié)省了很多資源。LWIP說(shuō)大也不算大，但是看自己的需求，是否要使用LWIP協(xié)議棧了

前景

為啥要自己寫(xiě)一個(gè)mini UDP的協(xié)議棧？因?yàn)槲覀兏赏低得氖虑?，哈哈哈?。。?/p>
其實(shí)是為了不跑一個(gè)龐大的LWIP協(xié)議棧，通過(guò)自己寫(xiě)的mini udp協(xié)議棧截取數(shù)據(jù)包給設(shè)備升級(jí)。這樣節(jié)省了很多資源。LWIP說(shuō)大也不算大，但是看自己的需求，是否要使用LWIP協(xié)議棧了。
其實(shí)寫(xiě)mini udp協(xié)議棧之前，需要先了解UDP協(xié)議的原理，數(shù)據(jù)包格式。如果你沒(méi)提前了解，給你代碼你也是看不懂，就像看天書(shū)一樣。要詳細(xì)的看UDP協(xié)議的每一包，每一Byte，每一Bit的含義，它是代表什么意思，怎么來(lái)的。
這篇文章不會(huì)長(zhǎng)篇大論講解，因?yàn)榫W(wǎng)上和很多書(shū)上都有相對(duì)應(yīng)的理論。大家可以買(mǎi)本書(shū)，或者在后臺(tái)回復(fù)"TCP_UDP"獲取電子書(shū)。

UDP理論講解

UDP報(bào)文的交付

用戶使用UDP來(lái)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，UDP協(xié)議會(huì)在數(shù)據(jù)前加上首部組成UDP報(bào)文，并交給IP協(xié)議來(lái)發(fā)送，而IP層將報(bào)文封裝在IP數(shù)據(jù)包中并交給底層發(fā)送，在底層中，IP數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)被封裝在數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀中，可看出一個(gè)用戶數(shù)據(jù)要通過(guò)UDP報(bào)文發(fā)送，需要經(jīng)歷三次封裝過(guò)程，如下圖：

接下來(lái)我們我們一一講解每一層的格式：

UDP報(bào)文格式

UDP報(bào)文成為用戶數(shù)據(jù)報(bào)，用戶數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)分為兩部分：UDP首部+UDP數(shù)據(jù)區(qū)，如下圖為UDP報(bào)文的結(jié)構(gòu)。UDP首部很簡(jiǎn)單，它由四個(gè)16位的字段組成，分別指用戶數(shù)據(jù)從哪個(gè)端口來(lái)，用到哪個(gè)端口去，總長(zhǎng)度和校驗(yàn)和。其中總長(zhǎng)度值為：UDP首部+UDP數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度。校驗(yàn)和為：二進(jìn)制反碼求和（此字段是可選項(xiàng)的）,該校驗(yàn)和是偽首部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)求得，下面會(huì)講解偽首部。

UDP偽首部

UDP校驗(yàn)和的計(jì)算超出UDP報(bào)文本身，為了計(jì)算校驗(yàn)和，UDP引入了偽首部的概念。偽首部的組成如下圖。偽首部完全是虛擬的，它并不會(huì)和用戶數(shù)據(jù)寶一起被發(fā)送出去，只用于計(jì)算UDP數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和是偽首部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)求得。

IP層結(jié)構(gòu)

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，他提供了不可靠，無(wú)連接的服務(wù)，也依賴其它層的協(xié)議進(jìn)行差錯(cuò)控制，所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP數(shù)據(jù)都被封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中傳輸。IP頭部結(jié)構(gòu)如下圖。

版本字段：占4bit，表明IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的版本號(hào)，即IPV4 or IPV6。
報(bào)頭長(zhǎng)度：占4bit。是頭部占32比特的數(shù)字，包括可選項(xiàng)。普通IP數(shù)據(jù)報(bào)(沒(méi)有任何選項(xiàng))，該字段的值是5，即160比特=20字節(jié)。此字段最大值為60字節(jié)。
服務(wù)類(lèi)型字段：占8bit。其中前3比特為優(yōu)先權(quán)子字段(Precedence，現(xiàn)已被忽略)。第8比特保留未用。第4至第7比特分別代表延遲、吞吐量、可靠性和花費(fèi)。當(dāng)它們?nèi)≈禐?時(shí)分別代表要求最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。這4比特的服務(wù)類(lèi)型中只能置其中1比特為1?？梢匀珵?，若全為0則表示一般服務(wù)。服務(wù)類(lèi)型字段聲明了數(shù)據(jù)報(bào)被網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸時(shí)可以被怎樣處理。
總長(zhǎng)度字段：占16bit。指明整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)。最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。IP頭部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度。
標(biāo)志字段：占16bit。用來(lái)唯一地標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報(bào)。通常每發(fā)一份報(bào)文，它的值會(huì)加1。
標(biāo)志位字段：占3bit。標(biāo)志一份數(shù)據(jù)報(bào)是否要求分段。
段偏移字段：占13bit。如果一份數(shù)據(jù)報(bào)要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始數(shù)據(jù)報(bào)開(kāi)始的位置。
生存期字段：占8bit。用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)最多可以經(jīng)過(guò)的路由器數(shù)。由發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機(jī)設(shè)置，通常為32、64、128等。每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，其值減1，直到0時(shí)該數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄。
協(xié)議字段：占8bit。指明IP層所封裝的上層協(xié)議類(lèi)型，如ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17)等。
頭部校驗(yàn)和字段：占16bit。二進(jìn)制反碼求和，根據(jù)IP頭部計(jì)算得到的校驗(yàn)和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對(duì)頭部后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn))。
源IP地址、目標(biāo)IP地址字段：各占32bit。標(biāo)明發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)文的源主機(jī)地址和接收IP報(bào)文的目標(biāo)主機(jī)地址。

幀頭部

幀頭部又可以理解為MAC層頭部，它由三個(gè)字段組成，幀頭部結(jié)構(gòu)如下圖。

目的mac地址、源mac地址字段：占6Byte，標(biāo)明發(fā)送幀數(shù)據(jù)的源主機(jī)mac地址和接收幀數(shù)據(jù)目標(biāo)主機(jī)mac地址。
協(xié)議類(lèi)型字段：上一層協(xié)議類(lèi)型，如0x0800代表上一層是IP協(xié)議，0x0806為arp

手寫(xiě)UDP協(xié)議棧

概述

其實(shí)UDP協(xié)議棧，通俗的講就是接收UDP數(shù)據(jù)包時(shí)->解析獲取數(shù)據(jù)，發(fā)送UDP包時(shí)->組裝數(shù)據(jù)包發(fā)送。解析包和組裝包的方向是相反的。這就是棧的原理了。先進(jìn)后出(FILO)。
TCP、UDP通信的字節(jié)集合要求是大端，而計(jì)算機(jī)的處理可能是小端導(dǎo)致，所以根據(jù)實(shí)際請(qǐng)款做相應(yīng)的大小端處理。
數(shù)據(jù)塊中采用非對(duì)齊方式
我們根據(jù)上面所述的數(shù)據(jù)包各個(gè)頭部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，該定義參考了LWIP的定義方式。

UDP頭部結(jié)構(gòu)體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_udp_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t src_port);  //src port
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t dest_port); //dest port
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);       //packet length
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t chksum);    //check sum
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define UDP_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_udp_header)

IP頭部結(jié)構(gòu)體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct ip_addr {
  PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t addr[4]);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_ip_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t vhl);             //version(front 4bit) header len(back 4bit) 
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t tos);             //type of service(8bit)
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);            //total length of packet
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t id);             //packet ID
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t offset);         //offset
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t ttl);             //time to live
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t top);             //type of protocol
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t chksum);         //check sum
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr src_ip);   //src ip
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr dest_ip);  //dest ip
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define IP_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_ip_header)

幀頭部結(jié)構(gòu)體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mac_addr {
  PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t addr[6]);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_mac_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mac_addr dest_mac);    //dest mac address
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mac_addr src_mac);     //src mac address
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t type);               //The previous layer of protocol types
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define MAC_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_mac_header)

偽首部結(jié)構(gòu)體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_udp_pseudo_info {
    /* pseudo head */
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr src_ip);
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr dest_ip);
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t protocal);
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);
    /* udp head */
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mini_udp_header udp_hdr);
    /* user data */
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t data[0]);
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

#define member_offset(type, member) ((unsigned long)(&((type *)0)->member))
#define PSEUDO_HDR_SIZE member_offset(struct mini_udp_pseudo_info, udp_hdr)

接收UDP數(shù)據(jù)函數(shù)

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)體，我們就可以將數(shù)據(jù)包解析出來(lái)，提取數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)包要求：只獲取UDP包，版本為IPV4，用戶數(shù)據(jù)報(bào)。下面的函數(shù)功能是接收符合數(shù)據(jù)包要求的數(shù)據(jù)，并dump出來(lái)。然后返回一針數(shù)據(jù)。

int mini_udp_input(const void *packet, uint32_t packet_len)
{
    struct mini_mac_header *mac_hdr = NULL;
    struct mini_ip_header *ip_hdr = NULL;
    struct mini_udp_header *udp_hdr = NULL;

    mac_hdr = (struct mini_mac_header *)(packet);
    if(mac_hdr->type != htons(ETHTYPE_IP))  //判斷類(lèi)型
    {
        return -1;
    }

    ip_hdr = (struct mini_ip_header *)((uint8_t *)mac_hdr + MAC_HDR_SIZE);
    if(IPH_V_GET(ip_hdr) != 4)  //判斷版本是否為IPV4
    {
        return -1;
    }        

    if(IPPROTO_UDP != IPH_PROTO_GET(ip_hdr))    //判斷是否為數(shù)據(jù)報(bào)
    {
        return -1;
    }

    udp_hdr = (struct mini_udp_header *)((uint8_t *)ip_hdr + IP_HDR_SIZE);
    
    switch(ntohs(udp_hdr->src_port))
    {
        case DHCP_SERVER_PORT:  //讀取DHCP包，獲取本地IP
        {     
            memcpy(&udp_info.local_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(struct ip_addr));
            break;
        }
        case NTP_SERVER_PORT:   //接收指定端口號(hào)的廣播包，并dump出來(lái)。
        {
            hex_dump(packet, packet_len);
            mini_udp_output(mac_hdr, ip_hdr, "Rice is best", sizeof("Rice is best"));   //接收成功，返回?cái)?shù)據(jù)"Rice is best"
            break;
        }
        default:
        {
            return -1;
        }
    }
    return 0; 
}

發(fā)送UDP數(shù)據(jù)函數(shù)

同樣根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行封裝。這里我的操作是接收到那個(gè)IP地址的數(shù)據(jù)，我就把數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的IP地址上去。

int mini_udp_output(struct mini_mac_header *recv_mac_hdr,
                    struct mini_ip_header *recv_ip_hdr,
                    void *packet,
                    uint32_t packet_len)
{
    uint8_t buffer[1500];
    struct mini_mac_header *mac_hdr = (struct mini_mac_header *)buffer;
    struct mini_ip_header *ip_hdr   = (struct mini_ip_header *)((uint8_t *)mac_hdr + MAC_HDR_SIZE);
    struct mini_udp_header *udp_hdr = (struct mini_udp_header *)((uint8_t *)ip_hdr + IP_HDR_SIZE);

    struct mini_udp_pseudo_info *udp_pseudo_info = malloc(sizeof(struct mini_udp_pseudo_info) + packet_len);

    /* 封裝mac層 */
    memcpy(&mac_hdr->dest_mac, &recv_mac_hdr->src_mac, sizeof(struct mac_addr));
    memcpy(&mac_hdr->src_mac, local_mac, sizeof(struct mac_addr));
    mac_hdr->type = htons(ETHTYPE_IP);

    /* 封裝IP層 */
    IPH_VHL_SET(ip_hdr, 4, 20/4);
    IPH_TOS_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_LEN_SET(ip_hdr, htons(IP_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len));
    IPH_ID_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_OFFSET_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_TTL_SET(ip_hdr, 128);
    IPH_PROTO_SET(ip_hdr, IPPROTO_UDP);
    IPH_CHKSUM_SET(ip_hdr, 0);
    memcpy(&ip_hdr->src_ip, &udp_info.local_ip, sizeof(struct ip_addr));
    memcpy(&ip_hdr->dest_ip, &recv_ip_hdr->src_ip, sizeof(struct ip_addr));
    IPH_CHKSUM_SET(ip_hdr, mini_udp_inet_chksum(ip_hdr, 20));

    /* 封裝UDP層 */
    udp_hdr->src_port = htons(NTP_CLIENT_PORT);
    udp_hdr->dest_port = htons(NTP_SERVER_PORT);
    udp_hdr->chksum = 0;
    udp_hdr->len = htons(UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    /* 計(jì)算校驗(yàn)和 */
    memcpy(&udp_pseudo_info->src_ip, &ip_hdr->src_ip, sizeof(sizeof(struct ip_addr)));
    memcpy(&udp_pseudo_info->dest_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(sizeof(struct ip_addr)));
    udp_pseudo_info->protocal = htons(IPPROTO_UDP);
    udp_pseudo_info->len = udp_hdr->len;
    memcpy(&udp_pseudo_info->udp_hdr, udp_hdr, UDP_HDR_SIZE);
    memcpy(udp_pseudo_info->data, packet, packet_len);

    udp_hdr->chksum = mini_udp_inet_chksum(udp_pseudo_info, PSEUDO_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    /* 封裝用戶數(shù)據(jù) */
    memcpy((uint8_t *)udp_hdr + UDP_HDR_SIZE, packet, packet_len);

    wifi_send(0, buffer, MAC_HDR_SIZE + IP_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    free(udp_pseudo_info);
    udp_pseudo_info = NULL;

    return 0;   
}

測(cè)試

PC上發(fā)送廣播包

我使用Wireshark工具進(jìn)行抓包，左邊為Wireshark上位機(jī)，右上角為我的wifi dump出來(lái)的數(shù)據(jù)，右下角是網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

PC發(fā)送一個(gè)UDP廣播包，用戶數(shù)據(jù)為"Rice is good"，wifi接收到數(shù)據(jù)dump出接收到的數(shù)據(jù)，與Wireshark抓包工具的數(shù)據(jù)一致。

wifi接收到數(shù)據(jù)后，返回用戶數(shù)據(jù)為"Rice is best"，通過(guò)Wireshark抓包工具和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手可以看到，數(shù)據(jù)正確

在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手中，指定IP進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果一樣正常。

—END—

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