手写一个UDP协议栈

前景

• 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！！！

• 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。

• 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。

• 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。

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。

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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。