UDP理論講解

UDP報文的交付

用戶使用UDP來傳輸數(shù)據(jù)時，UDP協(xié)議會在數(shù)據(jù)前加上首部組成UDP報文，并交給IP協(xié)議來發(fā)送，而IP層將報文封裝在IP數(shù)據(jù)包中并交給底層發(fā)送，在底層中，IP數(shù)據(jù)報會被封裝在數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀中，可看出一個用戶數(shù)據(jù)要通過UDP報文發(fā)送，需要經(jīng)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報文成為用戶數(shù)據(jù)報，用戶數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu)分為兩部分：UDP首部+UDP數(shù)據(jù)區(qū)，如下圖為UDP報文的結(jié)構(gòu)。UDP首部很簡單，它由四個16位的字段組成，分別指用戶數(shù)據(jù)從哪個端口來，用到哪個端口去，總長度和校驗和。其中總長度值為：UDP首部+UDP數(shù)據(jù)區(qū)的長度。校驗和為：二進制反碼求和（此字段是可選項的）,該校驗和是偽首部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)求得，下面會講解偽首部。

UDP偽首部

UDP校驗和的計算超出UDP報文本身，為了計算校驗和，UDP引入了偽首部的概念。偽首部的組成如下圖。偽首部完全是虛擬的，它并不會和用戶數(shù)據(jù)寶一起被發(fā)送出去，只用于計算UDP數(shù)據(jù)包的校驗和，校驗和是偽首部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)求得。

IP層結(jié)構(gòu)

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，他提供了不可靠，無連接的服務(wù)，也依賴其它層的協(xié)議進行差錯控制，所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP數(shù)據(jù)都被封裝在IP數(shù)據(jù)報中傳輸。IP頭部結(jié)構(gòu)如下圖。

• 版本字段：占4bit，表明IP協(xié)議實現(xiàn)的版本號，即IPV4 or IPV6。
• 報頭長度：占4bit。是頭部占32比特的數(shù)字，包括可選項。普通IP數(shù)據(jù)報(沒有任何選項)，該字段的值是5，即160比特=20字節(jié)。此字段最大值為60字節(jié)。
• 服務(wù)類型字段：占8bit。其中前3比特為優(yōu)先權(quán)子字段(Precedence，現(xiàn)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?nèi)≈禐?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(wù)類型中只能置其中1比特為1?？梢匀珵?，若全為0則表示一般服務(wù)。服務(wù)類型字段聲明了數(shù)據(jù)報被網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸時可以被怎樣處理。
• 總長度字段：占16bit。指明整個數(shù)據(jù)報的長度(以字節(jié)為單位)。最大長度為65535字節(jié)。IP頭部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)長度。
• 標志字段：占16bit。用來唯一地標識主機發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報。通常每發(fā)一份報文，它的值會加1。
• 標志位字段：占3bit。標志一份數(shù)據(jù)報是否要求分段。
• 段偏移字段：占13bit。如果一份數(shù)據(jù)報要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始數(shù)據(jù)報開始的位置。
• 生存期字段：占8bit。用來設(shè)置數(shù)據(jù)報最多可以經(jīng)過的路由器數(shù)。由發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機設(shè)置，通常為32、64、128等。每經(jīng)過一個路由器，其值減1，直到0時該數(shù)據(jù)報被丟棄。
• 協(xié)議字段：占8bit。指明IP層所封裝的上層協(xié)議類型，如ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17)等。
• 頭部校驗和字段：占16bit。二進制反碼求和，根據(jù)IP頭部計算得到的校驗和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對頭部后的數(shù)據(jù)進行校驗)。
• 源IP地址、目標IP地址字段：各占32bit。標明發(fā)送IP數(shù)據(jù)報文的源主機地址和接收IP報文的目標主機地址。

幀頭部

幀頭部又可以理解為MAC層頭部，它由三個字段組成，幀頭部結(jié)構(gòu)如下圖。

• 目的mac地址、源mac地址字段：占6Byte，標明發(fā)送幀數(shù)據(jù)的源主機mac地址和接收幀數(shù)據(jù)目標主機mac地址。
• 協(xié)議類型字段：上一層協(xié)議類型，如0x0800代表上一層是IP協(xié)議，0x0806為arp

手寫UDP協(xié)議棧

概述

• 其實UDP協(xié)議棧，通俗的講就是接收UDP數(shù)據(jù)包時->解析獲取數(shù)據(jù)，發(fā)送UDP包時->組裝數(shù)據(jù)包發(fā)送。解析包和組裝包的方向是相反的。這就是棧的原理了。先進后出(FILO)。
• TCP、UDP通信的字節(jié)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(jù)實際請款做相應(yīng)的大小端處理。
• 數(shù)據(jù)塊中采用非對齊方式
• 我們根據(jù)上面所述的數(shù)據(jù)包各個頭部的結(jié)構(gòu)進行定義，該定義參考了LWIP的定義方式。

UDP頭部結(jié)構(gòu)體定義

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頭部結(jié)構(gòu)體定義

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)

幀頭部結(jié)構(gòu)體定義

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)

偽首部結(jié)構(gòu)體定義

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數(shù)據(jù)函數(shù)

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)體，我們就可以將數(shù)據(jù)包解析出來，提取數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)包要求：只獲取UDP包，版本為IPV4，用戶數(shù)據(jù)報。下面的函數(shù)功能是接收符合數(shù)據(jù)包要求的數(shù)據(jù)，并dump出來。然后返回一針數(shù)據(jù)。

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))//判斷類型
{
return-1;
}

ip_hdr=(structmini_ip_header*)((uint8_t*)mac_hdr+MAC_HDR_SIZE);
if(IPH_V_GET(ip_hdr)!=4)//判斷版本是否為IPV4
{
return-1;
}

if(IPPROTO_UDP!=IPH_PROTO_GET(ip_hdr))//判斷是否為數(shù)據(jù)報
{
return-1;
}

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

switch(ntohs(udp_hdr->src_port))
{
caseDHCP_SERVER_PORT://讀取DHCP包，獲取本地IP
{
memcpy(&udp_info.local_ip,&ip_hdr->dest_ip,sizeof(structip_addr));
break;
}
caseNTP_SERVER_PORT://接收指定端口號的廣播包，并dump出來。
{
hex_dump(packet,packet_len);
mini_udp_output(mac_hdr,ip_hdr,"Riceisbest",sizeof("Riceisbest"));//接收成功，返回數(shù)據(jù)"Riceisbest"
break;
}
default:
{
return-1;
}
}
return0;
}

發(fā)送UDP數(shù)據(jù)函數(shù)

同樣根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)體進行封裝。這里我的操作是接收到那個IP地址的數(shù)據(jù)，我就把數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)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);

/*封裝mac層*/
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(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(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);

/*封裝用戶數(shù)據(jù)*/
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;
}

測試

PC上發(fā)送廣播包

我使用Wireshark工具進行抓包，左邊為Wireshark上位機，右上角為我的wifi dump出來的數(shù)據(jù)，右下角是網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• PC發(fā)送一個UDP廣播包，用戶數(shù)據(jù)為"Rice is good"，wifi接收到數(shù)據(jù)dump出接收到的數(shù)據(jù)，與Wireshark抓包工具的數(shù)據(jù)一致。

• wifi接收到數(shù)據(jù)后，返回用戶數(shù)據(jù)為"Rice is best"，通過Wireshark抓包工具和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手可以看到，數(shù)據(jù)正確

• 在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手中，指定IP進行收發(fā)數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果一樣正常。

審核編輯 ：李倩