基于STM32的TCP/IP协议栈代码之UDP分析 - 全文

1. UDP介绍
UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个 UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。这与面向流字符的协议不同，如TCP，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个IP数据报可能没有什么联系。
UDP数据报封装成一份 IP数据报的格式如图11 - 1所示。

RFC 768 [Postel 1980] 是UDP的正式规范。
UDP不提供可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。由于缺乏可靠性，我们似乎觉得要避免使用UDP而使用一种可靠协议如TCP。在讨论完TCP后将再回到这个话题，看看什么样的应用程序可以使用UDP。

2. UDP首部
UDP首部的各字段如图11 - 2所示。

端口号表示发送进程和接收进程。在图 1 - 8中，我们画出了TCP和UDP用目的端口号来分用来自IP层的数据的过程。

由于IP层已经把IP数据报分配给TCP或UDP（根据I P首部中协议字段值） ，因此TCP端口号由TCP来查看，而UDP端口号由UDP来查看。TCP端口号与UDP端口号是相互独立的。
尽管相互独立，如果TCP和UDP同时提供某种知名服务，两个协议通常选择相同的端口号。这纯粹是为了使用方便，而不是协议本身的要求。
UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为 8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK） 。这个UDP长度是有冗余的。 IP数据报长度指的是数据报全长（图3 - 1） ，因此UDP数据报长度是全长减去IP首部的长度（该值在首部长度字段中指定，如图3 - 1所示）

UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据。回想IP首部的检验和，它只覆盖IP的首部—并不覆盖IP数据报中的任何数据。
UDP和TCP在首部中都有覆盖它们首部和数据的检验和。UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。
尽管UDP检验和的基本计算方法与我们在描述的IP首部检验和计算方法相类似（16 bit字的二进制反码和，但是稍微有所不同，在根据字段类型判定为UDP或者TCP时加入了一些处理，看代码就晓得了） ，但是它们之间存在不同的地方。首先， UDP数据报的长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个 16 bit字相加。解决方法是必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算（也就是说，可能增加的填充字节不被传送） 。
其次，UDP数据报和TCP段都包含一个1 2字节长的伪首部（本TCP/IP协议栈有所不同，只加入了4字节源IP地址和4字节目的IP地址，即利用IP首部的尾巴，实现了空间上的复用，看代码就晓得了），它是为了计算检验和而设置的。伪首部包含IP首部一些字段。其目的是让 UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地（例如，IP没有接受地址不是本主机的数据报，以及IP没有把应传给另一高层的数据报传给UDP） 。UDP数据报中的伪首部格式如图11 - 3所示。

在该图中，我们特地举了一个奇数长度的数据报例子，因而在计算检验和时需要加上填充字节(0)。注意，UDP数据报的长度在检验和计算过程中出现两次。
如果检验和的计算结果为 0，则存入的值为全1（65535） ，这在二进制反码计算中是等效的。如果传送的检验和为0，说明发送端没有计算检验和。(因为协议要求如此，故代码需要实现之。)如果发送端没有计算检验和而接收端检测到检验和有差错，那么 UDP数据报就要被悄悄地丢弃。不产生任何差错报文（当IP层检测到IP首部检验和有差错时也这样做）。
UDP检验和是一个端到端的检验和。它由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。

/*下面阐述UDP校验和的一些历史和必要性*/
尽管UDP检验和是可选的，但是它们应该总是在用。在 80年代，一些计算机产商在默认条件下关闭UDP检验和的功能，以提高使用UDP协议的NFS（Network File System）的速度。
在单个局域网中这可能是可以接受的，但是在数据报通过路由器时，通过对链路层数据帧进行循环冗余检验（如以太网或令牌环数据帧）可以检测到大多数的差错，导致传输失败。不管相信与否，路由器中也存在软件和硬件差错，以致于修改数据报中的数据。如果关闭端到端的UDP检验和功能，那么这些差错在UDP数据报中就不能被检测出来。另外，一些数据链路层协议（如SLIP）没有任何形式的数据链路检验和。
Host Requirements RFC声明，UDP检验和选项在默认条件下是打开的。它还声明，如果发送端已经计算了检验和，那么接收端必须检验接收到的检验和（如接收到检验和不为0） 。但是，许多系统没有遵守这一点，只是在出口检验和选项被打开时才验证接收到的检验和。

另外需要解释几个术语： IP数据报是指IP层端到端的传输单元（在分片之前和重新组装之后） ，分组是指在IP层和链路层之间传送的数据单元。一个分组可以是一个完整的 IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。（这里有如何分片的说明，书里介绍的详细，简而言之，超过MTU就需要分，但是第一片和接下来的片是有区别的：第一个有UDP首部，其他没有，但是可以通过IP的flags来组合起来。下面的图很形象的说明了。）

------------------------------------------以下内容产生于代码及分析--------------------------------------
3. UDP宏定义实现

// ******* 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

//目标端口位置

#define UDP_DST_PORT_H_P 0x24

#define UDP_DST_PORT_L_P 0x25

//UDP数据长度位置

#define UDP_LEN_H_P       0x26

#define UDP_LEN_L_P       0x27

//UDP校验和位置

#define UDP_CHECKSUM_H_P 0x28

#define UDP_CHECKSUM_L_P 0x29

//UDP数据起始地址

#define UDP_DATA_P 0x2a

4. UDP函数实现
本TCP/IP协议栈中的UDP实现只一个make_udp_reply_from_request函数——udp服务器，可以响应其他udp的请求。在连接的顺序看来，在stm32板子上面的为服务器，等待pc机客户端的请求，当请求到来的时候，返回由程序员自行设定的响应，如本文中将做出3个响应的例子（当然udp一旦建立之后，就部分客户端和服务器端，地位是对等的，但是认为发起者为clien比较符合认知而已）。
这里说以下输入吧：buf为缓冲区，data为要传输的数据，datalen即为sizeof(data)，port即为pc端的udp端口号

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一样的
    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的端口号
    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长度，即65535-14-20-8，但一般会设置的较小，原因么，上文里面讲过。
    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插入此处
    //这里的16字节是UDP的伪首部，即IP的源地址-0x1a+目标地址-0x1e（和标准的有差异），
    //+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实验
在有了以上的UDP实现之后，你还需要有UDP的请求进来，如下代码所示：
下面的代码放在一个while(1)或者RTOS进程里面，作为服务器来等待客户端的响应

/*--------------------- 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数据长度
          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;
           //获取pc端的udp port
          pcudpport=buf[UDP_SRC_PORT_H_P]<<8 | buf[UDP_SRC_PORT_L_P];
        //将udp客户端得到的数据buf写入buf1，因为下面的实验需要输入的信息来做出相应的动作
          for(i1=0; i1                         buf1[i1]=buf[UDP_DATA_P+i1];
               
          make_udp_reply_from_request(buf,buf1,udpdatalen,pcudpport);         
      }
/*----------------------------------------udp end -----------------------------------------------*/

ps：本实验中板子udp的port为1200，pc机的port为4001
实验部分实现了三个简单的实验：
1.通过串口输出UDP客户端的IP地址及端口号
2.通过串口和UDP输出UDP的输入数据，即USART ECHO和UDP ECHO
3.实现UDP命令控制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一样的
    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的端口号
    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长度，即65535-14-20-8，但一般会设置的较小，原因么，上文里面讲过。
    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. \r\n");
    printf("udp客户端的IP地址及端口号 ： \r\n");

while(i < sizeof(ipv4_addr))
    {
        //注意这里我们建立的是UDP Server，输出UDP Client的IP地址
        printf("%d", buf[IP_DST_P + i]);

if(i != sizeof(ipv4_addr) - 1)
        {
            printf(".");
        }

i++;
    }

i = 0;
    //输出pc端的udp port
    printf(":%d \r\n", port);

//串口打印UDP Client发过来的数据
    printf("udp客户端发送的数据 ： \r\n");
    printf("%s \r\n", data);

//实现UDP Server来响应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
    //这里的16字节是UDP的伪首部，即IP的源地址-0x1a+目标地址-0x1e（和标准的有差异），
    //+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测试工具现象：echo实现

串口现象：符合预期
注：关闭打开UDP重连才可以看到随机分配的不同udp port。

WireShark现象：顺利抓到包~~~

开发板现象：
LED2亮了，初步打通了原子世界和数字世界了，但是体验很糟糕，O(∩_∩)O

STM32单片机中文官网
意法半导体/ST/STM