UDP理論講解

UDP報文的交付

用戶使用UDP來傳輸數據時，UDP協議會在數據前加上首部組成UDP報文，并交給IP協議來發送，而IP層將報文封裝在IP數據包中并交給底層發送，在底層中，IP數據報會被封裝在數據的數據幀中，可看出一個用戶數據要通過UDP報文發送，需要經歷三次封裝過程，如下圖：

接下來我們我們一一講解每一層的格式：

UDP報文格式

UDP報文成為用戶數據報，用戶數據報的結構分為兩部分：UDP首部+UDP數據區，如下圖為UDP報文的結構。UDP首部很簡單，它由四個16位的字段組成，分別指用戶數據從哪個端口來，用到哪個端口去，總長度和校驗和。其中總長度值為：UDP首部+UDP數據區的長度。校驗和為：二進制反碼求和（此字段是可選項的）,該校驗和是偽首部+UDP頭部+數據區求得，下面會講解偽首部。

UDP偽首部

UDP校驗和的計算超出UDP報文本身，為了計算校驗和，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，它并不會和用戶數據寶一起被發送出去，只用于計算UDP數據包的校驗和，校驗和是偽首部+UDP頭部+數據區求得。

IP層結構

IP協議是TCP/IP協議族中最為核心的協議，他提供了不可靠，無連接的服務，也依賴其它層的協議進行差錯控制，所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP數據都被封裝在IP數據報中傳輸。IP頭部結構如下圖。

版本字段：占4bit，表明IP協議實現的版本號，即IPV4 or IPV6。
報頭長度：占4bit。是頭部占32比特的數字，包括可選項。普通IP數據報(沒有任何選項)，該字段的值是5，即160比特=20字節。此字段最大值為60字節。
服務類型字段：占8bit。其中前3比特為優先權子字段(Precedence，現已被忽略)。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。當它們取值為1時分別代表要求最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。這4比特的服務類型中只能置其中1比特為1。可以全為0，若全為0則表示一般服務。服務類型字段聲明了數據報被網絡系統傳輸時可以被怎樣處理。
總長度字段：占16bit。指明整個數據報的長度(以字節為單位)。最大長度為65535字節。IP頭部+UDP頭部+數據區長度。
標志字段：占16bit。用來唯一地標識主機發送的每一份數據報。通常每發一份報文，它的值會加1。
標志位字段：占3bit。標志一份數據報是否要求分段。
段偏移字段：占13bit。如果一份數據報要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始數據報開始的位置。
生存期字段：占8bit。用來設置數據報最多可以經過的路由器數。由發送數據的源主機設置，通常為32、64、128等。每經過一個路由器，其值減1，直到0時該數據報被丟棄。
協議字段：占8bit。指明IP層所封裝的上層協議類型，如ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17)等。
頭部校驗和字段：占16bit。二進制反碼求和，根據IP頭部計算得到的校驗和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對頭部后的數據進行校驗)。
源IP地址、目標IP地址字段：各占32bit。標明發送IP數據報文的源主機地址和接收IP報文的目標主機地址。

幀頭部

幀頭部又可以理解為MAC層頭部，它由三個字段組成，幀頭部結構如下圖。

目的mac地址、源mac地址字段：占6Byte，標明發送幀數據的源主機mac地址和接收幀數據目標主機mac地址。
協議類型字段：上一層協議類型，如0x0800代表上一層是IP協議，0x0806為arp

手寫UDP協議棧

概述

其實UDP協議棧，通俗的講就是接收UDP數據包時->解析獲取數據，發送UDP包時->組裝數據包發送。解析包和組裝包的方向是相反的。這就是棧的原理了。先進后出(FILO)。
TCP、UDP通信的字節集合要求是大端，而計算機的處理可能是小端導致，所以根據實際請款做相應的大小端處理。
數據塊中采用非對齊方式
我們根據上面所述的數據包各個頭部的結構進行定義，該定義參考了LWIP的定義方式。

UDP頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
structmini_udp_header{
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tsrc_port);//srcport
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tdest_port);//destport
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tlen);//packetlength
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tchksum);//checksum
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#defineUDP_HDR_SIZEsizeof(structmini_udp_header)

IP頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
structip_addr{
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_taddr[4]);
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
structmini_ip_header{
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_tvhl);//version(front4bit)headerlen(back4bit)
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_ttos);//typeofservice(8bit)
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tlen);//totallengthofpacket
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tid);//packetID
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_toffset);//offset
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_tttl);//timetolive
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_ttop);//typeofprotocol
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tchksum);//checksum
PACK_STRUCT_FIELD(structip_addrsrc_ip);//srcip
PACK_STRUCT_FIELD(structip_addrdest_ip);//destip
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#defineIP_HDR_SIZEsizeof(structmini_ip_header)

幀頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
structmac_addr{
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_taddr[6]);
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
structmini_mac_header{
PACK_STRUCT_FIELD(structmac_addrdest_mac);//destmacaddress
PACK_STRUCT_FIELD(structmac_addrsrc_mac);//srcmacaddress
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_ttype);//Thepreviouslayerofprotocoltypes
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#defineMAC_HDR_SIZEsizeof(structmini_mac_header)

偽首部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
structmini_udp_pseudo_info{
/*pseudohead*/
PACK_STRUCT_FIELD(structip_addrsrc_ip);
PACK_STRUCT_FIELD(structip_addrdest_ip);
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tprotocal);
PACK_STRUCT_FIELD(uint16_tlen);
/*udphead*/
PACK_STRUCT_FIELD(structmini_udp_headerudp_hdr);
/*userdata*/
PACK_STRUCT_FIELD(uint8_tdata[0]);
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

#definemember_offset(type,member)((unsignedlong)(&((type*)0)->member))
#definePSEUDO_HDR_SIZEmember_offset(structmini_udp_pseudo_info,udp_hdr)

接收UDP數據函數

根據上述的結構體，我們就可以將數據包解析出來，提取數據。接收的數據包要求：只獲取UDP包，版本為IPV4，用戶數據報。下面的函數功能是接收符合數據包要求的數據，并dump出來。然后返回一針數據。

intmini_udp_input(constvoid*packet,uint32_tpacket_len)
{
structmini_mac_header*mac_hdr=NULL;
structmini_ip_header*ip_hdr=NULL;
structmini_udp_header*udp_hdr=NULL;

mac_hdr=(structmini_mac_header*)(packet);
if(mac_hdr->type!=htons(ETHTYPE_IP))//判斷類型
{
return-1;
}

ip_hdr=(structmini_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))//判斷是否為數據報
{
return-1;
}

udp_hdr=(structmini_udp_header*)((uint8_t*)ip_hdr+IP_HDR_SIZE);

switch(ntohs(udp_hdr->src_port))
{
caseDHCP_SERVER_PORT://讀取DHCP包，獲取本地IP
{
memcpy(&udp_info.local_ip,&ip_hdr->dest_ip,sizeof(structip_addr));
break;
}
caseNTP_SERVER_PORT://接收指定端口號的廣播包，并dump出來。
{
hex_dump(packet,packet_len);
mini_udp_output(mac_hdr,ip_hdr,"Riceisbest",sizeof("Riceisbest"));//接收成功，返回數據"Riceisbest"
break;
}
default:
{
return-1;
}
}
return0;
}

發送UDP數據函數

同樣根據上述的結構體進行封裝。這里我的操作是接收到那個IP地址的數據，我就把數據發送到相應的IP地址上去。

intmini_udp_output(structmini_mac_header*recv_mac_hdr,
structmini_ip_header*recv_ip_hdr,
void*packet,
uint32_tpacket_len)
{
uint8_tbuffer[1500];
structmini_mac_header*mac_hdr=(structmini_mac_header*)buffer;
structmini_ip_header*ip_hdr=(structmini_ip_header*)((uint8_t*)mac_hdr+MAC_HDR_SIZE);
structmini_udp_header*udp_hdr=(structmini_udp_header*)((uint8_t*)ip_hdr+IP_HDR_SIZE);

structmini_udp_pseudo_info*udp_pseudo_info=malloc(sizeof(structmini_udp_pseudo_info)+packet_len);

/*封裝mac層*/
memcpy(&mac_hdr->dest_mac,&recv_mac_hdr->src_mac,sizeof(structmac_addr));
memcpy(&mac_hdr->src_mac,local_mac,sizeof(structmac_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(structip_addr));
memcpy(&ip_hdr->dest_ip,&recv_ip_hdr->src_ip,sizeof(structip_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);

/*計算校驗和*/
memcpy(&udp_pseudo_info->src_ip,&ip_hdr->src_ip,sizeof(sizeof(structip_addr)));
memcpy(&udp_pseudo_info->dest_ip,&ip_hdr->dest_ip,sizeof(sizeof(structip_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);

/*封裝用戶數據*/
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;

return0;
}