基于STM32的TCP/IP協議棧代碼之UDP分析

UDP是一個簡單的面向數據報的運輸層協議：進程的每個輸出操作都正好產生一個 UDP數據報，并組裝成一份待發送的IP數據報。這與面向流字符的協議不同，如TCP，應用程序產生的全體數據與真正發送的單個IP數據報可能沒有什么聯系。
UDP數據報封裝成一份 IP數據報的格式如圖11 - 1所示。

RFC 768 [Postel 1980] 是UDP的正式規范。
UDP不提供可靠性：它把應用程序傳給IP層的數據發送出去，但是并不保證它們能到達目的地。由于缺乏可靠性，我們似乎覺得要避免使用UDP而使用一種可靠協議如TCP。在討論完TCP后將再回到這個話題，看看什么樣的應用程序可以使用UDP。

2. UDP首部
UDP首部的各字段如圖11 - 2所示。

端口號表示發送進程和接收進程。在圖 1 - 8中，我們畫出了TCP和UDP用目的端口號來分用來自IP層的數據的過程。

由于IP層已經把IP數據報分配給TCP或UDP（根據I P首部中協議字段值） ，因此TCP端口號由TCP來查看，而UDP端口號由UDP來查看。TCP端口號與UDP端口號是相互獨立的。
盡管相互獨立，如果TCP和UDP同時提供某種知名服務，兩個協議通常選擇相同的端口號。這純粹是為了使用方便，而不是協議本身的要求。
UDP長度字段指的是UDP首部和UDP數據的字節長度。該字段的最小值為 8字節（發送一份0字節的UDP數據報是OK） 。這個UDP長度是有冗余的。 IP數據報長度指的是數據報全長（圖3 - 1） ，因此UDP數據報長度是全長減去IP首部的長度（該值在首部長度字段中指定，如圖3 - 1所示）

UDP檢驗和覆蓋UDP首部和UDP數據。回想IP首部的檢驗和，它只覆蓋IP的首部—并不覆蓋IP數據報中的任何數據。
UDP和TCP在首部中都有覆蓋它們首部和數據的檢驗和。UDP的檢驗和是可選的，而TCP的檢驗和是必需的。
盡管UDP檢驗和的基本計算方法與我們在描述的IP首部檢驗和計算方法相類似（16 bit字的二進制反碼和，但是稍微有所不同，在根據字段類型判定為UDP或者TCP時加入了一些處理，看代碼就曉得了） ，但是它們之間存在不同的地方。首先， UDP數據報的長度可以為奇數字節，但是檢驗和算法是把若干個 16 bit字相加。解決方法是必要時在最后增加填充字節0，這只是為了檢驗和的計算（也就是說，可能增加的填充字節不被傳送） 。
其次，UDP數據報和TCP段都包含一個1 2字節長的偽首部（本TCP/IP協議棧有所不同，只加入了4字節源IP地址和4字節目的IP地址，即利用IP首部的尾巴，實現了空間上的復用，看代碼就曉得了），它是為了計算檢驗和而設置的。偽首部包含IP首部一些字段。其目的是讓 UDP兩次檢查數據是否已經正確到達目的地（例如，IP沒有接受地址不是本主機的數據報，以及IP沒有把應傳給另一高層的數據報傳給UDP） 。UDP數據報中的偽首部格式如圖11 - 3所示。

在該圖中，我們特地舉了一個奇數長度的數據報例子，因而在計算檢驗和時需要加上填充字節(0)。注意，UDP數據報的長度在檢驗和計算過程中出現兩次。
如果檢驗和的計算結果為 0，則存入的值為全1（65535） ，這在二進制反碼計算中是等效的。如果傳送的檢驗和為0，說明發送端沒有計算檢驗和。(因為協議要求如此，故代碼需要實現之。)如果發送端沒有計算檢驗和而接收端檢測到檢驗和有差錯，那么 UDP數據報就要被悄悄地丟棄。不產生任何差錯報文（當IP層檢測到IP首部檢驗和有差錯時也這樣做）。
UDP檢驗和是一個端到端的檢驗和。它由發送端計算，然后由接收端驗證。其目的是為了發現UDP首部和數據在發送端到接收端之間發生的任何改動。

/*下面闡述UDP校驗和的一些歷史和必要性*/
盡管UDP檢驗和是可選的，但是它們應該總是在用。在 80年代，一些計算機產商在默認條件下關閉UDP檢驗和的功能，以提高使用UDP協議的NFS（Network File System）的速度。
在單個局域網中這可能是可以接受的，但是在數據報通過路由器時，通過對鏈路層數據幀進行循環冗余檢驗（如以太網或令牌環數據幀）可以檢測到大多數的差錯，導致傳輸失敗。不管相信與否，路由器中也存在軟件和硬件差錯，以致于修改數據報中的數據。如果關閉端到端的UDP檢驗和功能，那么這些差錯在UDP數據報中就不能被檢測出來。另外，一些數據鏈路層協議（如SLIP）沒有任何形式的數據鏈路檢驗和。
Host Requirements RFC聲明，UDP檢驗和選項在默認條件下是打開的。它還聲明，如果發送端已經計算了檢驗和，那么接收端必須檢驗接收到的檢驗和（如接收到檢驗和不為0） 。但是，許多系統沒有遵守這一點，只是在出口檢驗和選項被打開時才驗證接收到的檢驗和。

另外需要解釋幾個術語： IP數據報是指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據單元。一個分組可以是一個完整的 IP數據報，也可以是IP數據報的一個分片。（這里有如何分片的說明，書里介紹的詳細，簡而言之，超過MTU就需要分，但是第一片和接下來的片是有區別的：第一個有UDP首部，其他沒有，但是可以通過IP的flags來組合起來。下面的圖很形象的說明了。）

------------------------------------------以下內容產生于代碼及分析--------------------------------------
3. UDP宏定義實現

// ******* 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

//目標端口位置

#define UDP_DST_PORT_H_P 0x24

#define UDP_DST_PORT_L_P 0x25

//UDP數據長度位置

#define UDP_LEN_H_P 0x26

#define UDP_LEN_L_P 0x27

//UDP校驗和位置

#define UDP_CHECKSUM_H_P 0x28

#define UDP_CHECKSUM_L_P 0x29

//UDP數據起始地址

#define UDP_DATA_P 0x2a

4. UDP函數實現
本TCP/IP協議棧中的UDP實現只一個make_udp_reply_from_request函數——udp服務器，可以響應其他udp的請求。在連接的順序看來，在stm32板子上面的為服務器，等待pc機客戶端的請求，當請求到來的時候，返回由程序員自行設定的響應，如本文中將做出3個響應的例子（當然udp一旦建立之后，就部分客戶端和服務器端，地位是對等的，但是認為發起者為clien比較符合認知而已）。
這里說以下輸入吧：buf為緩沖區，data為要傳輸的數據，datalen即為sizeof(data)，port即為pc端的udp端口號

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
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長度，即65535-14-20-8，但一般會設置的較小，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字節是UDP的偽首部，即IP的源地址-0x1a+目標地址-0x1e（和標準的有差異），
//+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實驗
在有了以上的UDP實現之后，你還需要有UDP的請求進來，如下代碼所示：
下面的代碼放在一個while(1)或者RTOS進程里面，作為服務器來等待客戶端的響應

/*--------------------- 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數據長度
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客戶端得到的數據buf寫入buf1，因為下面的實驗需要輸入的信息來做出相應的動作
for(i1=0; i1 buf1[i1]=buf[UDP_DATA_P+i1];

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

ps：本實驗中板子udp的port為1200，pc機的port為4001
實驗部分實現了三個簡單的實驗：
1.通過串口輸出UDP客戶端的IP地址及端口號
2.通過串口和UDP輸出UDP的輸入數據，即USART ECHO和UDP ECHO
3.實現UDP命令控制STM32">STM32板子上面的LED

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
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長度，即65535-14-20-8，但一般會設置的較小，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++;
}

#ifdef UDP_DEBUG
i = 0;
printf("UDP Server Test. rn");
printf("udp客戶端的IP地址及端口號 ： rn");

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 rn", port);

//串口打印UDP Client發過來的數據
printf("udp客戶端發送的數據 ： rn");
printf("%s rn", data);

//實現UDP Server來響應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字節是UDP的偽首部，即IP的源地址-0x1a+目標地址-0x1e（和標準的有差異），
//+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測試工具現象：echo實現

串口現象：符合預期
注：關閉打開UDP重連才可以看到隨機分配的不同udp port。

WireShark現象：順利抓到包~~~

開發板現象：
LED2亮了，初步打通了原子世界和數字世界了，但是體驗很糟糕，O(∩_∩)O