手寫一個 UDP 協議棧

前景

爲啥要自己寫一個 mini UDP 的協議棧？因爲我們幹偷偷摸摸的事情，哈哈哈！！！
其實是爲了不跑一個龐大的 LWIP 協議棧，通過自己寫的 mini udp 協議棧截取數據包給設備升級。這樣節省了很多資源。LWIP 說大也不算大，但是看自己的需求，是否要使用 LWIP 協議棧了。
其實寫 mini udp 協議棧之前，需要先了解 UDP 協議的原理，數據包格式。如果你沒提前瞭解，給你代碼你也是看不懂，就像看天書一樣。要詳細的看 UDP 協議的每一包，每一 Byte，每一 Bit 的含義，它是代表什麼意思，怎麼來的。
這篇文章不會長篇大論講解，因爲網上和很多書上都有相對應的理論。

UDP 理論講解

UDP 報文的交付

用戶使用 UDP 來傳輸數據時，UDP 協議會在數據前加上首部組成 UDP 報文，並交給 IP 協議來發送，而 IP 層將報文封裝在 IP 數據包中並交給底層發送，在底層中，IP 數據報會被封裝在數據的數據幀中，可看出一個用戶數據要通過 UDP 報文發送，需要經歷三次封裝過程，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 報文成爲用戶數據報，用戶數據報的結構分爲兩部分：UDP 首部 + UDP 數據區，如下圖爲 UDP 報文的結構。UDP 首部很簡單，它由四個 16 位的字段組成，分別指用戶數據從哪個端口來，用到哪個端口去，總長度和校驗和。其中總長度值爲：UDP 首部 + UDP 數據區的長度。校驗和爲：二進制反碼求和（此字段是可選項的）, 該校驗和是僞首部 + UDP 頭部 + 數據區求得，下面會講解僞首部。

UDP 僞首部

UDP 校驗和的計算超出 UDP 報文本身，爲了計算校驗和，UDP 引入了僞首部的概念。僞首部的組成如下圖。僞首部完全是虛擬的，它並不會和用戶數據寶一起被髮送出去，只用於計算 UDP 數據包的校驗和，校驗和是僞首部 + UDP 頭部 + 數據區求得。

IP 層結構

IP 協議是 TCP/IP 協議族中最爲核心的協議，他提供了不可靠，無連接的服務，也依賴其它層的協議進行差錯控制，所有的 TCP、UDP、ICMP、IGMP 數據都被封裝在 IP 數據報中傳輸。IP 頭部結構如下圖。

版本字段：佔 4bit，表明 IP 協議實現的版本號，即 IPV4 or IPV6。
報頭長度：佔 4bit。是頭部佔 32 比特的數字，包括可選項。普通 IP 數據報 (沒有任何選項)，該字段的值是 5，即 160 比特 = 20 字節。此字段最大值爲 60 字節。
服務類型字段：佔 8bit。其中前 3 比特爲優先權子字段 (Precedence，現已被忽略)。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。當它們取值爲 1 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 比特的服務類型中只能置其中 1 比特爲 1。可以全爲 0，若全爲 0 則表示一般服務。服務類型字段聲明瞭數據報被網絡系統傳輸時可以被怎樣處理。
總長度字段：佔 16bit。指明整個數據報的長度 (以字節爲單位)。最大長度爲 65535 字節。IP 頭部 + UDP 頭部 + 數據區長度。
標誌字段：佔 16bit。用來唯一地標識主機發送的每一份數據報。通常每發一份報文，它的值會加 1。
標誌位字段：佔 3bit。標誌一份數據報是否要求分段。
段偏移字段：佔 13bit。如果一份數據報要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始數據報開始的位置。
生存期字段：佔 8bit。用來設置數據報最多可以經過的路由器數。由發送數據的源主機設置，通常爲 32、64、128 等。每經過一個路由器，其值減 1，直到 0 時該數據報被丟棄。
協議字段：佔 8bit。指明 IP 層所封裝的上層協議類型，如 ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17) 等。
頭部校驗和字段：佔 16bit。二進制反碼求和，根據 IP 頭部計算得到的校驗和。(和 ICMP、IGMP、TCP、UDP 不同，IP 不對頭部後的數據進行校驗)。
源 IP 地址、目標 IP 地址字段：各佔 32bit。標明發送 IP 數據報文的源主機地址和接收 IP 報文的目標主機地址。

幀頭部

幀頭部又可以理解爲 MAC 層頭部，它由三個字段組成，幀頭部結構如下圖。

目的 mac 地址、源 mac 地址字段：佔 6Byte，標明發送幀數據的源主機 mac 地址和接收幀數據目標主機 mac 地址。
協議類型字段：上一層協議類型，如 0x0800 代表上一層是 IP 協議，0x0806 爲 arp

手寫 UDP 協議棧

概述

其實 UDP 協議棧，通俗的講就是接收 UDP 數據包時 -> 解析獲取數據，發送 UDP 包時 -> 組裝數據包發送。解析包和組裝包的方向是相反的。這就是棧的原理了。先進後出 (FILO)。
TCP、UDP 通信的字節集合要求是大端，而計算機的處理可能是小端導致，所以根據實際請款做相應的大小端處理。
數據塊中採用非對齊方式
我們根據上面所述的數據包各個頭部的結構進行定義，該定義參考了 LWIP 的定義方式。

UDP 頭部結構體定義

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 頭部結構體定義

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)

幀頭部結構體定義

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)

僞首部結構體定義

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 數據函數

根據上述的結構體，我們就可以將數據包解析出來，提取數據。接收的數據包要求：只獲取 UDP 包，版本爲 IPV4，用戶數據報。下面的函數功能是接收符合數據包要求的數據，並 dump 出來。然後返回一針數據。

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)  //判斷版本是否爲IPV4
    {
        return -1;
    }        

    if(IPPROTO_UDP != IPH_PROTO_GET(ip_hdr))    //判斷是否爲數據報
    {
        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:   //接收指定端口號的廣播包，並dump出來。
        {
            hex_dump(packet, packet_len);
            mini_udp_output(mac_hdr, ip_hdr, "Rice is best", sizeof("Rice is best"));   //接收成功，返回數據"Rice is best"
            break;
        }
        default:
        {
            return -1;
        }
    }
    return 0; 
}

發送 UDP 數據函數

同樣根據上述的結構體進行封裝。這裏我的操作是接收到那個 IP 地址的數據，我就把數據發送到相應的 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);

    /* 計算校驗和 */
    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);

    /* 封裝用戶數據 */
    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;   
}

測試

PC 上發送廣播包

我使用 Wireshark 工具進行抓包，左邊爲 Wireshark 上位機，右上角爲我的 wifi dump 出來的數據，右下角是網絡調試助手，用於發送和接收數據。

PC 發送一個 UDP 廣播包，用戶數據爲 "Rice is good"，wifi 接收到數據 dump 出接收到的數據，與 Wireshark 抓包工具的數據一致。

wifi 接收到數據後，返回用戶數據爲 "Rice is best"，通過 Wireshark 抓包工具和網絡調試助手可以看到，數據正確

在網絡調試助手中，指定 IP 進行收發數據，驗證結果一樣正常。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/xIsXV_Bz3ZeQ1iVI57YrUw

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