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：

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。

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。

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。

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

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
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头部结构体定义

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)

帧头部结构体定义

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)

伪首部结构体定义

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。

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))//判断类型
{
return-1;
}

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

switch(ntohs(udp_hdr->src_port))
{
caseDHCP_SERVER_PORT://读取DHCP包，获取本地IP
{
memcpy(&udp_info.local_ip,&ip_hdr->dest_ip,sizeof(structip_addr));
break;
}
caseNTP_SERVER_PORT://接收指定端口号的广播包，并dump出来。
{
hex_dump(packet,packet_len);
mini_udp_output(mac_hdr,ip_hdr,"Riceisbest",sizeof("Riceisbest"));//接收成功，返回数据"Riceisbest"
break;
}
default:
{
return-1;
}
}
return0;
}

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。

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);

/*封装mac层*/
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(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(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;

return0;
}