教你动手写UDP协议栈
前景
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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！！！
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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。
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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。
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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。
UDP理论讲解
UDP报文的交付
用户使用UDP来传输数据是，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
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。
- 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
- 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。
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