- 為啥要自己寫(xiě)一個(gè)mini UDP的協(xié)議棧?因?yàn)槲覀兏赏低得氖虑椋。。?/li>
- 其實(shí)是為了不跑一個(gè)龐大的LWIP協(xié)議棧,通過(guò)自己寫(xiě)的mini udp協(xié)議棧截取數(shù)據(jù)包給設(shè)備升級(jí)。這樣節(jié)省了很多資源。LWIP說(shuō)大也不算大,但是看自己的需求,是否要使用LWIP協(xié)議棧了。
- 其實(shí)寫(xiě)mini udp協(xié)議棧之前,需要先了解UDP協(xié)議的原理,數(shù)據(jù)包格式。如果你沒(méi)提前了解,給你代碼你也是看不懂,就像看天書(shū)一樣。要詳細(xì)的看UDP協(xié)議的每一包,每一Byte,每一Bit的含義,它是代表什么意思,怎么來(lái)的。
- 這篇文章不會(huì)長(zhǎng)篇大論講解,因?yàn)榫W(wǎng)上和很多書(shū)上都有相對(duì)應(yīng)的理論。
UDP理論講解
UDP報(bào)文的交付
用戶使用UDP來(lái)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),UDP協(xié)議會(huì)在數(shù)據(jù)前加上首部組成UDP報(bào)文,并交給IP協(xié)議來(lái)發(fā)送,而IP層將報(bào)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(bào)會(huì)被封裝在數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀中,可看出一個(gè)用戶數(shù)據(jù)要通過(guò)UDP報(bào)文發(fā)送,需要經(jīng)歷三次封裝過(guò)程,如下圖:
接下來(lái)我們我們一一講解每一層的格式:
UDP報(bào)文格式
UDP報(bào)文成為用戶數(shù)據(jù)報(bào),用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)文的結(jié)構(gòu)。UDP首部很簡(jiǎn)單,它由四個(gè)16位的字段組成,分別指用戶數(shù)據(jù)從哪個(gè)端口來(lái),用到哪個(gè)端口去,總長(zhǎng)度和校驗(yàn)和。其中總長(zhǎng)度值為:UDP首部+UDP數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度。校驗(yàn)和為:二進(jìn)制反碼求和(此字段是可選項(xiàng)的),該校驗(yàn)和是偽首部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)求得,下面會(huì)講解偽首部。
UDP偽首部
UDP校驗(yàn)和的計(jì)算超出UDP報(bào)文本身,為了計(jì)算校驗(yàn)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(huì)和用戶數(shù)據(jù)寶一起被發(fā)送出去,只用于計(jì)算UDP數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和,校驗(yàn)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(wú)連接的服務(wù),也依賴其它層的協(xié)議進(jìn)行差錯(cuò)控制,所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP數(shù)據(jù)都被封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)現(xiàn)的版本號(hào),即IPV4 or IPV6。
- 報(bào)頭長(zhǎng)度:占4bit。是頭部占32比特的數(shù)字,包括可選項(xiàng)。普通IP數(shù)據(jù)報(bào)(沒(méi)有任何選項(xiàng)),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(fèi)。當(dāng)它們?nèi)≈禐?時(shí)分別代表要求最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。這4比特的服務(wù)類型中只能置其中1比特為1。可以全為0,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(bào)被網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸時(shí)可以被怎樣處理。
- 總長(zhǎng)度字段:占16bit。指明整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)。最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。IP頭部+UDP頭部+數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度。
- 標(biāo)志字段:占16bit。用來(lái)唯一地標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報(bào)。通常每發(fā)一份報(bào)文,它的值會(huì)加1。
- 標(biāo)志位字段:占3bit。標(biāo)志一份數(shù)據(jù)報(bào)是否要求分段。
- 段偏移字段:占13bit。如果一份數(shù)據(jù)報(bào)要求分段的話,此字段指明該段偏移距原始數(shù)據(jù)報(bào)開(kāi)始的位置。
- 生存期字段:占8bit。用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)最多可以經(jīng)過(guò)的路由器數(shù)。由發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機(jī)設(shè)置,通常為32、64、128等。每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器,其值減1,直到0時(shí)該數(shù)據(jù)報(bào)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(yàn)和字段:占16bit。二進(jìn)制反碼求和,根據(jù)IP頭部計(jì)算得到的校驗(yàn)和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同,IP不對(duì)頭部后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn))。
- 源IP地址、目標(biāo)IP地址字段:各占32bit。標(biāo)明發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)文的源主機(jī)地址和接收IP報(bào)文的目標(biāo)主機(jī)地址。
幀頭部
幀頭部又可以理解為MAC層頭部,它由三個(gè)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(biāo)明發(fā)送幀數(shù)據(jù)的源主機(jī)mac地址和接收幀數(shù)據(jù)目標(biāo)主機(jī)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(xiě)UDP協(xié)議棧
概述
- 其實(shí)UDP協(xié)議棧,通俗的講就是接收UDP數(shù)據(jù)包時(shí)->解析獲取數(shù)據(jù),發(fā)送UDP包時(shí)->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(jìn)后出(FILO)。
- TCP、UDP通信的字節(jié)集合要求是大端,而計(jì)算機(jī)的處理可能是小端導(dǎo)致,所以根據(jù)實(shí)際請(qǐng)款做相應(yīng)的大小端處理。
- 數(shù)據(jù)塊中采用非對(duì)齊方式
- 我們根據(jù)上面所述的數(shù)據(jù)包各個(gè)頭部的結(jié)構(gòu)進(jìn)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
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頭部結(jié)構(gòu)體定義
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)
幀頭部結(jié)構(gòu)體定義
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)
偽首部結(jié)構(gòu)體定義
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(lái),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(bào)。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(lái)。然后返回一針數(shù)據(jù)。
{
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)) //判斷類型
{
return -1;
}
ip_hdr = (struct mini_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(bào)
{
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: //讀取DHCP包,獲取本地IP
{
memcpy(&udp_info.local_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(struct ip_addr));
break;
}
case NTP_SERVER_PORT: //接收指定端口號(hào)的廣播包,并dump出來(lái)。
{
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?cái)?shù)據(jù)"Rice is best"
break;
}
default:
{
return -1;
}
}
return 0;
}
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(jìn)行封裝。這里我的操作是接收到那個(gè)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。
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);
/* 封裝mac層 */
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(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(jì)算校驗(yàn)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;
return 0;
}
測(cè)試
PC上發(fā)送廣播包
我使用Wireshark工具進(jìn)行抓包,左邊為Wireshark上位機(jī),右上角為我的wifi dump出來(lái)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(gè)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(guò)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(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù),驗(yàn)證結(jié)果一樣正常。
-
IP
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UDP
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數(shù)據(jù)包
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協(xié)議棧
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