基于STM32的TCP/IP協(xié)議棧代碼之UDP分析

1. UDP介紹
UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議：進(jìn)程的每個(gè)輸出操作都正好產(chǎn)生一個(gè) UDP數(shù)據(jù)報(bào)，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)。這與面向流字符的協(xié)議不同，如TCP，應(yīng)用程序產(chǎn)生的全體數(shù)據(jù)與真正發(fā)送的單個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)可能沒有什么聯(lián)系。
UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成一份 IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖11 - 1所示。

RFC 768 [Postel 1980] 是UDP的正式規(guī)范。
UDP不提供可靠性：它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。由于缺乏可靠性，我們似乎覺得要避免使用UDP而使用一種可靠協(xié)議如TCP。在討論完TCP后將再回到這個(gè)話題，看看什么樣的應(yīng)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(hào)表示發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程。在圖 1 - 8中，我們畫出了TCP和UDP用目的端口號(hào)來(lái)分用來(lái)自IP層的數(shù)據(jù)的過程。

由于IP層已經(jīng)把IP數(shù)據(jù)報(bào)分配給TCP或UDP（根據(jù)I P首部中協(xié)議字段值），因此TCP端口號(hào)由TCP來(lái)查看，而UDP端口號(hào)由UDP來(lái)查看。TCP端口號(hào)與UDP端口號(hào)是相互獨(dú)立的。
盡管相互獨(dú)立，如果TCP和UDP同時(shí)提供某種知名服務(wù)，兩個(gè)協(xié)議通常選擇相同的端口號(hào)。這純粹是為了使用方便，而不是協(xié)議本身的要求。
UDP長(zhǎng)度字段指的是UDP首部和UDP數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。該字段的最小值為 8字節(jié)（發(fā)送一份0字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)是OK）。這個(gè)UDP長(zhǎng)度是有冗余的。 IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度指的是數(shù)據(jù)報(bào)全長(zhǎng)（圖3 - 1），因此UDP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度是全長(zhǎng)減去IP首部的長(zhǎng)度（該值在首部長(zhǎng)度字段中指定，如圖3 - 1所示）

UDP檢驗(yàn)和覆蓋UDP首部和UDP數(shù)據(jù)?；叵隝P首部的檢驗(yàn)和，它只覆蓋IP的首部—并不覆蓋IP數(shù)據(jù)報(bào)中的任何數(shù)據(jù)。
UDP和TCP在首部中都有覆蓋它們首部和數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和。UDP的檢驗(yàn)和是可選的，而TCP的檢驗(yàn)和是必需的。
盡管UDP檢驗(yàn)和的基本計(jì)算方法與我們?cè)诿枋龅腎P首部檢驗(yàn)和計(jì)算方法相類似（16 bit字的二進(jìn)制反碼和，但是稍微有所不同，在根據(jù)字段類型判定為UDP或者TCP時(shí)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(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度可以為奇數(shù)字節(jié)，但是檢驗(yàn)和算法是把若干個(gè) 16 bit字相加。解決方法是必要時(shí)在最后增加填充字節(jié)0，這只是為了檢驗(yàn)和的計(jì)算（也就是說，可能增加的填充字節(jié)不被傳送）。
其次，UDP數(shù)據(jù)報(bào)和TCP段都包含一個(gè)1 2字節(jié)長(zhǎng)的偽首部（本TCP/IP協(xié)議棧有所不同，只加入了4字節(jié)源IP地址和4字節(jié)目的IP地址，即利用IP首部的尾巴，實(shí)現(xiàn)了空間上的復(fù)用，看代碼就曉得了），它是為了計(jì)算檢驗(yàn)和而設(shè)置的。偽首部包含IP首部一些字段。其目的是讓 UDP兩次檢查數(shù)據(jù)是否已經(jīng)正確到達(dá)目的地（例如，IP沒有接受地址不是本主機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)，以及IP沒有把應(yīng)傳給另一高層的數(shù)據(jù)報(bào)傳給UDP）。UDP數(shù)據(jù)報(bào)中的偽首部格式如圖11 - 3所示。

在該圖中，我們特地舉了一個(gè)奇數(shù)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)報(bào)例子，因而在計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)需要加上填充字節(jié)(0)。注意，UDP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度在檢驗(yàn)和計(jì)算過程中出現(xiàn)兩次。
如果檢驗(yàn)和的計(jì)算結(jié)果為 0，則存入的值為全1（65535），這在二進(jìn)制反碼計(jì)算中是等效的。如果傳送的檢驗(yàn)和為0，說明發(fā)送端沒有計(jì)算檢驗(yàn)和。(因?yàn)閰f(xié)議要求如此，故代碼需要實(shí)現(xiàn)之。)如果發(fā)送端沒有計(jì)算檢驗(yàn)和而接收端檢測(cè)到檢驗(yàn)和有差錯(cuò)，那么 UDP數(shù)據(jù)報(bào)就要被悄悄地丟棄。不產(chǎn)生任何差錯(cuò)報(bào)文（當(dāng)IP層檢測(cè)到IP首部檢驗(yàn)和有差錯(cuò)時(shí)也這樣做）。
UDP檢驗(yàn)和是一個(gè)端到端的檢驗(yàn)和。它由發(fā)送端計(jì)算，然后由接收端驗(yàn)證。其目的是為了發(fā)現(xiàn)UDP首部和數(shù)據(jù)在發(fā)送端到接收端之間發(fā)生的任何改動(dòng)。

/*下面闡述UDP校驗(yàn)和的一些歷史和必要性*/
盡管UDP檢驗(yàn)和是可選的，但是它們應(yīng)該總是在用。在 80年代，一些計(jì)算機(jī)產(chǎn)商在默認(rèn)條件下關(guān)閉UDP檢驗(yàn)和的功能，以提高使用UDP協(xié)議的NFS（Network File System）的速度。
在單個(gè)局域網(wǎng)中這可能是可以接受的，但是在數(shù)據(jù)報(bào)通過路由器時(shí)，通過對(duì)鏈路層數(shù)據(jù)幀進(jìn)行循環(huán)冗余檢驗(yàn)（如以太網(wǎng)或令牌環(huán)數(shù)據(jù)幀）可以檢測(cè)到大多數(shù)的差錯(cuò)，導(dǎo)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(cuò)，以致于修改數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)。如果關(guān)閉端到端的UDP檢驗(yàn)和功能，那么這些差錯(cuò)在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中就不能被檢測(cè)出來(lái)。另外，一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（如SLIP）沒有任何形式的數(shù)據(jù)鏈路檢驗(yàn)和。
Host Requirements RFC聲明，UDP檢驗(yàn)和選項(xiàng)在默認(rèn)條件下是打開的。它還聲明，如果發(fā)送端已經(jīng)計(jì)算了檢驗(yàn)和，那么接收端必須檢驗(yàn)接收到的檢驗(yàn)和（如接收到檢驗(yàn)和不為0）。但是，許多系統(tǒng)沒有遵守這一點(diǎn)，只是在出口檢驗(yàn)和選項(xiàng)被打開時(shí)才驗(yàn)證接收到的檢驗(yàn)和。

另外需要解釋幾個(gè)術(shù)語(yǔ)： IP數(shù)據(jù)報(bào)是指IP層端到端的傳輸單元（在分片之前和重新組裝之后），分組是指在IP層和鏈路層之間傳送的數(shù)據(jù)單元。一個(gè)分組可以是一個(gè)完整的 IP數(shù)據(jù)報(bào)，也可以是IP數(shù)據(jù)報(bào)的一個(gè)分片。（這里有如何分片的說明，書里介紹的詳細(xì)，簡(jiǎn)而言之，超過MTU就需要分，但是第一片和接下來(lái)的片是有區(qū)別的：第一個(gè)有UDP首部，其他沒有，但是可以通過IP的flags來(lái)組合起來(lái)。下面的圖很形象的說明了。）

------------------------------------------以下內(nèi)容產(chǎn)生于代碼及分析--------------------------------------
3. UDP宏定義實(shí)現(xiàn)

// ******* 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(biāo)端口位置

#define UDP_DST_PORT_H_P 0x24

#define UDP_DST_PORT_L_P 0x25

//UDP數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位置

#define UDP_LEN_H_P 0x26

#define UDP_LEN_L_P 0x27

//UDP校驗(yàn)和位置

#define UDP_CHECKSUM_H_P 0x28

#define UDP_CHECKSUM_L_P 0x29

//UDP數(shù)據(jù)起始地址

#define UDP_DATA_P 0x2a

4. UDP函數(shù)實(shí)現(xiàn)
本TCP/IP協(xié)議棧中的UDP實(shí)現(xiàn)只一個(gè)make_udp_reply_from_request函數(shù)——udp服務(wù)器，可以響應(yīng)其他udp的請(qǐng)求。在連接的順序看來(lái)，在stm32板子上面的為服務(wù)器，等待pc機(jī)客戶端的請(qǐng)求，當(dāng)請(qǐng)求到來(lái)的時(shí)候，返回由程序員自行設(shè)定的響應(yīng)，如本文中將做出3個(gè)響應(yīng)的例子（當(dāng)然udp一旦建立之后，就部分客戶端和服務(wù)器端，地位是對(duì)等的，但是認(rèn)為發(fā)起者為clien比較符合認(rèn)知而已）。
這里說以下輸入吧：buf為緩沖區(qū)，data為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，datalen即為sizeof(data)，port即為pc端的udp端口號(hào)

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(hào)
    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(zhǎng)度，即65535-14-20-8，但一般會(huì)設(shè)置的較小，原因么，上文里面講過。
    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
    //這里的16字節(jié)是UDP的偽首部，即IP的源地址-0x1a+目標(biāo)地址-0x1e（和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)
在有了以上的UDP實(shí)現(xiàn)之后，你還需要有UDP的請(qǐng)求進(jìn)來(lái)，如下代碼所示：
下面的代碼放在一個(gè)while(1)或者RTOS進(jìn)程里面，作為服務(wù)器來(lái)等待客戶端的響應(yīng)

/*--------------------- 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(shù)據(jù)長(zhǎng)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(shù)據(jù)buf寫入buf1，因?yàn)橄旅娴膶?shí)驗(yàn)需要輸入的信息來(lái)做出相應(yīng)的動(dòng)作
          for(i1=0; i1                         buf1[i1]=buf[UDP_DATA_P+i1];

          make_udp_reply_from_request(buf,buf1,udpdatalen,pcudpport);
      }
/*----------------------------------------udp end -----------------------------------------------*/

ps：本實(shí)驗(yàn)中板子udp的port為1200，pc機(jī)的port為4001
實(shí)驗(yàn)部分實(shí)現(xiàn)了三個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：
1.通過串口輸出UDP客戶端的IP地址及端口號(hào)
2.通過串口和UDP輸出UDP的輸入數(shù)據(jù)，即USART ECHO和UDP ECHO
3.實(shí)現(xiàn)UDP命令控制STM32板子上面的LED

// 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(hào) ： \r\n");

while(i < sizeof(ipv4_addr))
    {
        //注意這里我們建立的是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(fā)過來(lái)的數(shù)據(jù)
printf("udp客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù) ： \r\n");
printf("%s \r\n", data);

//實(shí)現(xiàn)UDP Server來(lái)響應(yīng)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
    //這里的16字節(jié)是UDP的偽首部，即IP的源地址-0x1a+目標(biāo)地址-0x1e（和標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試工具現(xiàn)象：echo實(shí)現(xiàn)