1. UDP介紹
UDP是一個簡單的面向數據報的運輸層協議：進程的每個輸出操作都正好產生一個 UDP數據報，並組裝成一份待發送的IP數據報。這與面向流字符的協議不同，如TCP，應用程序產生的全體數據與真正發送的單個IP數據報可能沒有什麼聯繫。
UDP數據報封裝成一份 IP數據報的格式如圖11 - 1所示。
RFC 768 [Postel 1980] 是UDP的正式規範。
UDP不提供可靠性：它把應用程序傳給IP層的數據發送出去，但是並不保證它們能到達目的地。由於缺乏可靠性，我們似乎覺得要避免使用UDP而使用一種可靠協議如TCP。在討論完TCP後將再回到這個話題，看看什麼樣的應用程序可以使用UDP。
2. UDP首部
UDP首部的各字段如圖11 - 2所示。
端口號表示發送進程和接收進程。在圖 1 - 8中，我們畫出了TCP和UDP用目的端口號來分用來自IP層的數據的過程。
由於IP層已經把IP數據報分配給TCP或UDP（根據I P首部中協議字段值） ，因此TCP端口號由TCP來查看，而UDP端口號由UDP來查看。TCP端口號與UDP端口號是相互獨立的。
儘管相互獨立，如果TCP和UDP同時提供某種知名服務，兩個協議通常選擇相同的端口號。這純粹是爲了使用方便，而不是協議本身的要求。
UDP長度字段指的是UDP首部和UDP數據的字節長度。該字段的最小值爲 8字節（發送一份0字節的UDP數據報是OK） 。這個UDP長度是有冗餘的。 IP數據報長度指的是數據報全長（圖3 - 1） ，因此UDP數據報長度是全長減去IP首部的長度（該值在首部長度字段中指定，如圖3 - 1所示）
UDP檢驗和覆蓋UDP首部和UDP數據。回想IP首部的檢驗和，它只覆蓋IP的首部—並不覆蓋IP數據報中的任何數據。
UDP和TCP在首部中都有覆蓋它們首部和數據的檢驗和。UDP的檢驗和是可選的，而TCP的檢驗和是必需的。
儘管UDP檢驗和的基本計算方法與我們在描述的IP首部檢驗和計算方法相類似（16 bit字的二進制反碼和，但是稍微有所不同，在根據字段類型判定爲UDP或者TCP時加入了一些處理，看代碼就曉得了） ，但是它們之間存在不同的地方。首先， UDP數據報的長度可以爲奇數字節，但是檢驗和算法是把若干個 16 bit字相加。解決方法是必要時在最後增加填充字節0，這只是爲了檢驗和的計算（也就是說，可能增加的填充字節不被傳送）
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其次，UDP數據報和TCP段都包含一個1 2字節長的僞首部（本TCP/IP協議棧有所不同，只加入了4字節源IP地址和4字節目的IP地址，即利用IP首部的尾巴，實現了空間上的複用，看代碼就曉得了），它是爲了計算檢驗和而設置的。僞首部包含IP首部一些字段。其目的是讓 UDP兩次檢查數據是否已經正確到達目的地（例如，IP沒有接受地址不是本主機的數據報，以及IP沒有把應傳給另一高層的數據報傳給UDP） 。UDP數據報中的僞首部格式如圖11
- 3所示。
在該圖中，我們特地舉了一個奇數長度的數據報例子，因而在計算檢驗和時需要加上填充字節(0)。注意，UDP數據報的長度在檢驗和計算過程中出現兩次。
如果檢驗和的計算結果爲 0，則存入的值爲全1（65535） ，這在二進制反碼計算中是等效的。如果傳送的檢驗和爲0，說明發送端沒有計算檢驗和。(因爲協議要求如此，故代碼需要實現之。)如果發送端沒有計算檢驗和而接收端檢測到檢驗和有差錯，那麼 UDP數據報就要被悄悄地丟棄。不產生任何差錯報文（當IP層檢測到IP首部檢驗和有差錯時也這樣做） 。
UDP檢驗和是一個端到端的檢驗和。它由發送端計算，然後由接收端驗證。其目的是爲了發現UDP首部和數據在發送端到接收端之間發生的任何改動。
/*下面闡述UDP校驗和的一些歷史和必要性*/
儘管UDP檢驗和是可選的，但是它們應該總是在用。在 80年代，一些計算機產商在默認條件下關閉UDP檢驗和的功能，以提高使用UDP協議的NFS（Network File System）的速度。
在單個局域網中這可能是可以接受的，但是在數據報通過路由器時，通過對鏈路層數據幀進行循環冗餘檢驗（如以太網或令牌環數據幀）可以檢測到大多數的差錯，導致傳輸失敗。不管相信與否，路由器中也存在軟件和硬件差錯，以致於修改數據報中的數據。如果關閉端到端的UDP檢驗和功能，那麼這些差錯在UDP數據報中就不能被檢測出來。另外，一些數據鏈路層協議（如SLIP）沒有任何形式的數據鏈路檢驗和。
Host Requirements RFC聲明，UDP檢驗和選項在默認條件下是打開的。它還聲明，如果發送端已經計算了檢驗和，那麼接收端必須檢驗接收到的檢驗和（如接收到檢驗和不爲0） 。但是，許多系統沒有遵守這一點，只是在出口檢驗和選項被打開時才驗證接收到的檢驗和。
另外需要解釋幾個術語： IP數據報是指IP層端到端的傳輸單元（在分片之前和重新組裝之後） ，分組是指在IP層和鏈路層之間傳送的數據單元。一個分組可以是一個完整的 IP數據報，也可以是IP數據報的一個分片。（這裏有如何分片的說明，書裏介紹的詳細，簡而言之，超過MTU就需要分，但是第一片和接下來的片是有區別的：第一個有UDP首部，其他沒有，但是可以通過IP的flags來組合起來。下面的圖很形象的說明了。）
------------------------------------------以上內容整理於《TCP/IP協議詳解：卷1》--------------------------------------
------------------------------------------以下內容產生於代碼及分析--------------------------------------
3. UDP宏定義實現
C++ Code
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// ******* UDP *******
#define UDP_HEADER_LEN 8 //源端口位置 #define UDP_SRC_PORT_H_P 0x22 #define UDP_SRC_PORT_L_P 0x23 //目標端口位置 #define UDP_DST_PORT_H_P 0x24 #define UDP_DST_PORT_L_P 0x25 //UDP數據長度位置 #define UDP_LEN_H_P 0x26 #define UDP_LEN_L_P 0x27 //UDP校驗和位置 #define UDP_CHECKSUM_H_P 0x28 #define UDP_CHECKSUM_L_P 0x29 //UDP數據起始地址 #define UDP_DATA_P 0x2a |
4. UDP函數實現
本TCP/IP協議棧中的UDP實現只一個make_udp_reply_from_request函數——udp服務器，可以響應其他udp的請求。在連接的順序看來，在stm32板子上面的爲服務器，等待pc機客戶端的請求，當請求到來的時候，返回由程序員自行設定的響應，如本文中將做出3個響應的例子（當然udp一旦建立之後，就部分客戶端和服務器端，地位是對等的，但是認爲發起者爲clien比較符合認知而已）。
這裏說以下輸入吧：buf爲緩衝區，data爲要傳輸的數據，datalen即爲sizeof(data)，port即爲pc端的udp端口號
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void make_udp_reply_from_request(unsigned char *buf, char *data, unsigned int datalen, unsigned int port)
{ unsigned int i = 0, tol_len; unsigned int ck; //如前面的ARP和ICMP一樣的 make_eth(buf); // total length field in the IP header must be set: //如IP Header tol_len = IP_HEADER_LEN + UDP_HEADER_LEN + datalen; buf[IP_TOTLEN_H_P] = tol_len >> 8; buf[IP_TOTLEN_L_P] = tol_len; //如ICMP make_ip(buf); //本地UDP的端口號 buf[UDP_DST_PORT_H_P] = port >> 8; buf[UDP_DST_PORT_L_P] = port & 0xff; // source port does not matter and is what the sender used. // calculte the udp length:最大16bit長度，即65535-14-20-8，但一般會設置的較小，原因麼，上文裏面講過。 buf[UDP_LEN_H_P] = datalen >> 8; buf[UDP_LEN_L_P] = UDP_HEADER_LEN + datalen; // zero the checksum buf[UDP_CHECKSUM_H_P] = 0; buf[UDP_CHECKSUM_L_P] = 0; // copy the data: while(i < datalen) { buf[UDP_DATA_P + i] = data[i]; i++; } //UDP_DEBUG插入此處 //這裏的16字節是UDP的僞首部，即IP的源地址-0x1a+目標地址-0x1e（和標準的有差異）， //+UDP首部=4+4+8=16 ck = checksum(&buf[IP_SRC_P], 16 + datalen, 1); buf[UDP_CHECKSUM_H_P] = ck >> 8; buf[UDP_CHECKSUM_L_P] = ck & 0xff; enc28j60PacketSend(UDP_HEADER_LEN + IP_HEADER_LEN + ETH_HEADER_LEN + datalen, buf); } |
5. UDP實驗
在有了以上的UDP實現之後，你還需要有UDP的請求進來，如下代碼所示：
下面的代碼放在一個while(1)或者RTOS進程裏面，作爲服務器來等待客戶端的響應
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/*--------------------- udp server start, we listen on udp port 1200=0x4B0 -----------------------------*/
if (buf[IP_PROTO_P]==IP_PROTO_UDP_V&&buf[UDP_DST_PORT_H_P]==4&&buf[UDP_DST_PORT_L_P]==0xb0) { //UDP數據長度 udpdatalen=buf[UDP_LEN_H_P]; udpdatalen=udpdatalen<<8; udpdatalen=(udpdatalen+buf[UDP_LEN_L_P])-UDP_HEADER_LEN; //udpdatalen=buf[UDP_LEN_L_P]-UDP_HEADER_LEN; //獲取pc端的udp port pcudpport=buf[UDP_SRC_PORT_H_P]<<8 | buf[UDP_SRC_PORT_L_P];
//將udp客戶端得到的數據buf寫入buf1，因爲下面的實驗需要輸入的信息來做出相應的動作for(i1=0; i1<udpdatalen; i1++) buf1[i1]=buf[UDP_DATA_P+i1]; make_udp_reply_from_request(buf,buf1,udpdatalen,pcudpport); } /*----------------------------------------udp end -----------------------------------------------*/ |
ps：本實驗中板子udp的port爲1200，pc機的port爲4001
實驗部分實現了三個簡單的實驗：
- 通過串口輸出UDP客戶端的IP地址及端口號
- 通過串口和UDP輸出UDP的輸入數據，即USART ECHO和UDP ECHO
- 實現UDP命令控制STM32板子上面的LED
C++ Code
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void make_udp_reply_from_request(unsigned char *buf, char *data, unsigned int datalen, unsigned int port)
{ unsigned int i = 0, tol_len; unsigned int ck; //如前面的ARP和ICMP一樣的 make_eth(buf); // total length field in the IP header must be set: //如IP Header tol_len = IP_HEADER_LEN + UDP_HEADER_LEN + datalen; buf[IP_TOTLEN_H_P] = tol_len >> 8; buf[IP_TOTLEN_L_P] = tol_len; //如ICMP make_ip(buf); //本地UDP的端口號 buf[UDP_DST_PORT_H_P] = port >> 8; buf[UDP_DST_PORT_L_P] = port & 0xff; // source port does not matter and is what the sender used. // calculte the udp length:最大16bit長度，即65535-14-20-8，但一般會設置的較小，原因麼，上文裏面講過。 buf[UDP_LEN_H_P] = datalen >> 8; buf[UDP_LEN_L_P] = UDP_HEADER_LEN + datalen; // zero the checksum buf[UDP_CHECKSUM_H_P] = 0; buf[UDP_CHECKSUM_L_P] = 0; // copy the data: while(i < datalen) { buf[UDP_DATA_P + i] = data[i]; i++; } #ifdef UDP_DEBUG i = 0; printf("UDP Server Test. \r\n"); printf("udp客戶端的IP地址及端口號 ： \r\n"); while(i < sizeof(ipv4_addr)) { //注意這裏我們建立的是UDP Server，輸出UDP Client的IP地址 printf("%d", buf[IP_DST_P + i]); if(i != sizeof(ipv4_addr) - 1) { printf("."); } i++; } i = 0; //輸出pc端的udp port
printf(":%d \r\n", port);
//串口打印UDP Client發過來的數據 printf("udp客戶端發送的數據 ： \r\n"); printf("%s \r\n", data); //實現UDP Server來響應UDP Client的控制LED命令 //如：led1=on,led1=off if(strcmp(data, "led1=on") == 0) { GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8); } if(strcmp(data, "led1=off") == 0) { GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8); } //如：led2=on,led2=off if(strcmp(data, "led2=on") == 0) { GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_2); } if(strcmp(data, "led2=off") == 0) { GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_2); } #endif //這裏的16字節是UDP的僞首部，即IP的源地址-0x1a+目標地址-0x1e（和標準的有差異）， //+UDP首部=4+4+8=16 ck = checksum(&buf[IP_SRC_P], 16 + datalen, 1); buf[UDP_CHECKSUM_H_P] = ck >> 8; buf[UDP_CHECKSUM_L_P] = ck & 0xff; enc28j60PacketSend(UDP_HEADER_LEN + IP_HEADER_LEN + ETH_HEADER_LEN + datalen, buf); } |
TCP&UDP測試工具現象：echo實現
串口現象：符合預期
注：關閉打開UDP重連纔可以看到隨機分配的不同udp port。
WireShark現象：順利抓到包~~~
開發板現象：
LED2亮了，初步打通了原子世界和數字世界了，但是體驗很糟糕，O(∩_∩)O~
http://www.os-forum.com/minix/net/index.html
