教你動手寫UDP協議棧~

前景

• 爲啥要自己寫一個mini UDP的協議棧？因爲我們幹偷偷摸摸的事情，哈哈哈！！！

• 其實是爲了不跑一個龐大的LWIP協議棧，通過自己寫的mini udp協議棧截取數據包給設備升級。這樣節省了很多資源。LWIP說大也不算大，但是看自己的需求，是否要使用LWIP協議棧了。

• 其實寫mini udp協議棧之前，需要先了解UDP協議的原理，數據包格式。如果你沒提前瞭解，給你代碼你也是看不懂，就像看天書一樣。要詳細的看UDP協議的每一包，每一Byte，每一Bit的含義，它是代表什麼意思，怎麼來的。

• 這篇文章不會長篇大論講解，因爲網上和很多書上都有相對應的理論。大家可以買本書學習一下。

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，並交給IP協議來發送，而IP層將報文封裝在IP數據包中並交給底層發送，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報文成爲用戶數據報，用戶數據報的結構分爲兩部分：UDP首部+UDP數據區，如下圖爲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。其中總長度值爲：UDP首部+UDP數據區的長度。校驗和爲：二進制反碼求和（此字段是可選項的）,該校驗和是僞首部+UDP頭部+數據區求得，下面會講解僞首部。

UDP僞首部

UDP校驗和的計算超出UDP報文本身，爲了計算校驗和，UDP引入了僞首部的概念。僞首部的組成如下圖。僞首部完全是虛擬的，它並不會和用戶數據寶一起被髮送出去，只用於計算UDP數據包的校驗和，校驗和是僞首部+UDP頭部+數據區求得。

IP層結構

IP協議是TCP/IP協議族中最爲核心的協議，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：佔4bit，表明IP協議實現的版本號，即IPV4 or IPV6。

• 報頭長度：佔4bit。是頭部佔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。此字段最大值爲60字節。

• 服務類型字段：佔8bit。其中前3比特爲優先權子字段(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。當它們取值爲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比特爲1。可以全爲0，若全爲0則表示一般服務。服務類型字段聲明瞭數據報被網絡系統傳輸時可以被怎樣處理。

• 總長度字段：佔16bit。指明整個數據報的長度(以字節爲單位)。最大長度爲65535字節。IP頭部+UDP頭部+數據區長度。

• 標誌字段：佔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。

• 標誌位字段：佔3bit。標誌一份數據報是否要求分段。

• 段偏移字段：佔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：佔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，通常爲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：佔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：佔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不對頭部後的數據進行校驗)。

• 源IP地址、目標IP地址字段：各佔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

幀頭部又可以理解爲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：佔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爲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。先進後出(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。

• 數據塊中採用非對齊方式

• 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
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頭部結構體定義

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)

幀頭部結構體定義

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)

僞首部結構體定義

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，版本爲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，並dump出來。然後返回一針數據。

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)  //判斷版本是否爲IPV4
    {
        return -1;
    }        

    if(IPPROTO_UDP != IPH_PROTO_GET(ip_hdr))    //判斷是否爲數據報
    {
        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:   //接收指定端口號的廣播包，並dump出來。
        {
            hex_dump(packet, packet_len);
            mini_udp_output(mac_hdr, ip_hdr, "Rice is best", sizeof("Rice is best"));   //接收成功，返回數據"Rice is best"
            break;
        }
        default:
        {
            return -1;
        }
    }
    return 0; 
}

發送UDP數據函數

同樣根據上述的結構體進行封裝。這裏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。

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);

    /* 計算校驗和 */
    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;

    return 0;   
}

測試

PC上發送廣播包

我使用Wireshark工具進行抓包，左邊爲Wireshark上位機，右上角爲我的wifi dump出來的數據，右下角是網絡調試助手，用於發送和接收數據。

• PC發送一個UDP廣播包，用戶數據爲"Rice is good"，wifi接收到數據dump出接收到的數據，與Wireshark抓包工具的數據一致。

• wifi接收到數據後，返回用戶數據爲"Rice is best"，通過Wireshark抓包工具和網絡調試助手可以看到，數據正確

• 在網絡調試助手中，指定IP進行收發數據，驗證結果一樣正常。

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