逸珺 · 10月16日

手把手教之UDP协议栈如何实现(附代码)

首发:Rice 嵌入式开发技术分享
作者:RiceDIY

前景

  • 为啥要自己写一个mini UDP的协议栈?因为我们干偷偷摸摸的事情,哈哈哈!!!
  • 其实是为了不跑一个庞大的LWIP协议栈,通过自己写的mini udp协议栈截取数据包给设备升级。这样节省了很多资源。LWIP说大也不算大,但是看自己的需求,是否要使用LWIP协议栈了。
  • 其实写mini udp协议栈之前,需要先了解UDP协议的原理,数据包格式。如果你没提前了解,给你代码你也是看不懂,就像看天书一样。要详细的看UDP协议的每一包,每一Byte,每一Bit的含义,它是代表什么意思,怎么来的。
  • 这篇文章不会长篇大论讲解,因为网上和很多书上都有相对应的理论。大家可以买本书,或者在后台回复"TCP_UDP"获取电子书。

640.png

UDP理论讲解

UDP报文的交付

用户使用UDP来传输数据时,UDP协议会在数据前加上首部组成UDP报文,并交给IP协议来发送,而IP层将报文封装在IP数据包中并交给底层发送,在底层中,IP数据报会被封装在数据的数据帧中,可看出一个用户数据要通过UDP报文发送,需要经历三次封装过程,如下图:

640-1.png

接下来我们我们一一讲解每一层的格式:

UDP报文格式

UDP报文成为用户数据报,用户数据报的结构分为两部分:UDP首部+UDP数据区,如下图为UDP报文的结构。UDP首部很简单,它由四个16位的字段组成,分别指用户数据从哪个端口来,用到哪个端口去,总长度和校验和。其中总长度值为:UDP首部+UDP数据区的长度。校验和为:二进制反码求和(此字段是可选项的),该校验和是伪首部+UDP头部+数据区求得,下面会讲解伪首部。

640-2.png

UDP伪首部

UDP校验和的计算超出UDP报文本身,为了计算校验和,UDP引入了伪首部的概念。伪首部的组成如下图。伪首部完全是虚拟的,它并不会和用户数据宝一起被发送出去,只用于计算UDP数据包的校验和,校验和是伪首部+UDP头部+数据区求得。

640-3.png

IP层结构

IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议,他提供了不可靠,无连接的服务,也依赖其它层的协议进行差错控制,所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传输。IP头部结构如下图。

  • 版本字段:占4bit,表明IP协议实现的版本号,即IPV4 or IPV6。
  • 报头长度:占4bit。是头部占32比特的数字,包括可选项。普通IP数据报(没有任何选项),该字段的值是5,即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。
  • 服务类型字段:占8bit。其中前3比特为优先权子字段(Precedence,现已被忽略)。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0,若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。
  • 总长度字段:占16bit。指明整个数据报的长度(以字节为单位)。最大长度为65535字节。IP头部+UDP头部+数据区长度。
  • 标志字段:占16bit。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文,它的值会加1。
  • 标志位字段:占3bit。标志一份数据报是否要求分段。
  • 段偏移字段:占13bit。如果一份数据报要求分段的话,此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。
  • 生存期字段:占8bit。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置,通常为32、64、128等。每经过一个路由器,其值减1,直到0时该数据报被丢弃。
  • 协议字段:占8bit。指明IP层所封装的上层协议类型,如ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17)等。
  • 头部校验和字段:占16bit。二进制反码求和,根据IP头部计算得到的校验和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同,IP不对头部后的数据进行校验)。
  • 源IP地址、目标IP地址字段:各占32bit。标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。

640-4.png

帧头部

帧头部又可以理解为MAC层头部,它由三个字段组成,帧头部结构如下图。

  • 目的mac地址、源mac地址字段:占6Byte,标明发送帧数据的源主机mac地址和接收帧数据目标主机mac地址。
  • 协议类型字段:上一层协议类型,如0x0800代表上一层是IP协议,0x0806为arp

640-5.png

手写UDP协议栈

概述

  • 其实UDP协议栈,通俗的讲就是接收UDP数据包时->解析获取数据,发送UDP包时->组装数据包发送。解析包和组装包的方向是相反的。这就是栈的原理了。先进后出(FILO)。
  • TCP、UDP通信的字节集合要求是大端,而计算机的处理可能是小端导致,所以根据实际请款做相应的大小端处理。
  • 数据块中采用非对齐方式
  • 我们根据上面所述的数据包各个头部的结构进行定义,该定义参考了LWIP的定义方式。

UDP头部结构体定义

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头部结构体定义
---------

`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)  

帧头部结构体定义

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)  

伪首部结构体定义

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数据函数

根据上述的结构体,我们就可以将数据包解析出来,提取数据。接收的数据包要求:只获取UDP包,版本为IPV4,用户数据报。下面的函数功能是接收符合数据包要求的数据,并dump出来。然后返回一针数据。

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))  //判断类型  
    {  
        return -1;  
    }  
  
    ip_hdr = (struct mini_ip_header *)((uint8_t *)mac_hdr + MAC_HDR_SIZE);  
    if(IPH_V_GET(ip_hdr) != 4)  //判断版本是否为IPV4  
    {  
        return -1;  
    }          
  
    if(IPPROTO_UDP != IPH_PROTO_GET(ip_hdr))    //判断是否为数据报  
    {  
        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:  //读取DHCP包,获取本地IP  
        {       
            memcpy(&udp_info.local_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(struct ip_addr));  
            break;  
        }  
        case NTP_SERVER_PORT:   //接收指定端口号的广播包,并dump出来。  
        {  
            hex_dump(packet, packet_len);  
            mini_udp_output(mac_hdr, ip_hdr, "Rice is best", sizeof("Rice is best"));   //接收成功,返回数据"Rice is best"  
            break;  
        }  
        default:  
        {  
            return -1;  
        }  
    }  
    return 0;   
}  

发送UDP数据函数

同样根据上述的结构体进行封装。这里我的操作是接收到那个IP地址的数据,我就把数据发送到相应的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);  
  
    /* 封装mac层 */  
    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);  
  
    /* 封装IP层 */  
    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));  
  
    /* 封装UDP层 */  
    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);  
  
    /* 计算校验和 */  
    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);  
  
    /* 封装用户数据 */  
    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;     
}  

测试

PC上发送广播包

我使用Wireshark工具进行抓包,左边为Wireshark上位机,右上角为我的wifi dump出来的数据,右下角是网络调试助手,用于发送和接收数据。

  • PC发送一个UDP广播包,用户数据为"Rice is good",wifi接收到数据dump出接收到的数据,与Wireshark抓包工具的数据一致。

640-6.png

  • wifi接收到数据后,返回用户数据为"Rice is best",通过Wireshark抓包工具和网络调试助手可以看到,数据正确

640-7.png

  • 在网络调试助手中,指定IP进行收发数据,验证结果一样正常。

640-8.png

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