UDP在LWIP协议栈上的实现

1 UDP说明

1.1 协议简介

UDP(User Datagram Protocol)：用户数据报协议，是一种简单、无连接、不可靠的传输协议。

无需建立连接、没有提供任何流量控制、拥塞控制机制，收到的报文也没有确认，因此UDP的传输速度快，但不能保证数据到达目的地。

与我们熟知的TCP协议一样，都属于OSI模型中的传输层协议。

1.2 UDP特点

无连接性

UDP可以提供无连接的数据传输服务，无需在通讯前建立连接，也无需在通讯结束后断开连接，节省了维护连接的开销。

不可靠性

受自身协议的限制，UDP的传输是一种不靠传输方式，无法保证数据一定能完整有效的传输到目标。

以报文为边界

因为没有TCP协议的数据编号和接收确认机制，UDP对于应用层交付的数据直接进行封装传输，不会对报文进行拆分合并，在多包数据传输时可能出现乱序的现象。

无流量和拥塞控制功能

UDP协议没有流量控制和拥塞控制的机制，因此更适用于对数据连续性比完整性要求更高、对轻微的数据差错不敏感的场景，如语音、视频通话等。

支持广播、组播

不同于TCP协议只能实现一对一的单播通讯，UDP协议支持单播、广播、组播通讯，实现一对一、一对多、多对多的数据传输。因此所有以广播、组播方式通信的协议都是在UDP协议上实现的，如我们常见的DHCP、SNMP协议。

1.3 报文格式

本篇文章重点是UDP在LwIP中的实现，报文格式就不再展开介绍了，但还是可以直观地看出UDP首部只有8字节的长度(伪首部只参与校验和的计算，不实际发送)，贯彻了UDP的简洁易用的特点。

2 UDP在LWIP上的实现

2.1. 数据结构

2.1.1 UDP控制块

struct udp_pcb {
IP_PCB; //通用IP控制块
struct udp_pcb *next; //下一节点的指针，用于构成控制块链表
u8_t flags; //控制块状态
u16_t local_port, remote_port; //本地端口号、远程端口号
udp_recv_fn recv; //处理网络接收数据的回调
void *recv_arg; //用户自定义参数，接收回调入参
};

同时，lwip在udp.c中创建了全局的udp控制块指针，作为管理所有UDP控制块的链表头。

struct udp_pcb *udp_pcbs;

2.1.2 UDP首部

PACK_STRUCT_BEGIN
struct udp_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src); //源端口
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); //目的端口
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t len); //此次发送的数据报的长度
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);//校验和
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

报文格式中提到了UDP伪首部，但数据结构中没有出现，那计算伪首部的功能是在哪里实现的呢？

找到计算UDP首部中的校验和计算函数：

/**

计算首部校验和
[url=home.php?mod=space&uid=3142012]@param[/url] p 待计算数据的pbuf指针
@param proto 协议类型
@param proto_len ip数据部分的长度
@param src 源ip地址 (这里的IP是网络字节序)
@param dst 目标ip地址
[url=home.php?mod=space&uid=1141835]@Return[/url] 创建的UDP控制块结构体指针，创建失败返回NULL
*/
u16_t ip_chksum_pseudo(struct pbuf *p, u8_t proto, u16_t proto_len,const ip_addr_t *src, const ip_addr_t *dest)

例如在udp_sendto_if_src()中，数据发送之前需要计算出首部校验和，可以看到源IP、目的IP等参数是现算现传的，没有再使用额外的数据结构来维护伪首部。

if (IP_IS_V6(dst_ip) || (pcb->flags & UDP_FLAGS_NOCHKSUM) == 0) {
u16_t udpchksum = ip_chksum_pseudo(q, IP_PROTO_UDP, q->tot_len,src_ip, dst_ip);
/0表示“无校验和，因此计算为0时需要改为0xffff/
if (udpchksum == 0x0000) {
udpchksum = 0xffff;
}
udphdr->chksum = udpchksum;
}

2.2 接口函数

2.2.1. 创建/删除UDP控制块

/**

创建UDP控制块
@return 创建的UDP控制块结构体指针，创建失败返回NULL
/
struct udp_pcb udp_new(void);
udp_new()为创建的UDP控制块申请内存空间、初始化控制块，返回创建的控制块指针供后续操作。

/**

创建UDP控制块
@param type 控制块的IP类型
@return 创建的UDP控制块结构体指针
*/
struct udp_pcb * udp_new_ip_type(u8_t type);
与udp_new()相似，都是创建UDP控制块，区别是udp_new_ip_type()可以指定创建的UDP控制块为IPV4 / IPV6 / IPV4+IPV6类型,而udp_new()默认创建IPV4的UDP控制块。

以上两个函数都很简单，就不把函数体展开讨论了，这里需要注意的是两个创建函数都只创建了控制块的内存空间，进行了简单的初始化，并未将控制块挂载到udp_pcbs链表中.

/**

删除UDP控制块
@param pcb UDP控制块指针
*/
void udp_remove(struct udp_pcb *pcb);
{
struct udp_pcb pcb2;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("udp_remove: invalid pcb", pcb != NULL, return);
mib2_udp_unbind(pcb);
/ 判断待删除的控制块在链表开头 /
if (udp_pcbs == pcb) {
/ 从将第二个控制块作为链表头 /
udp_pcbs = udp_pcbs->next;
} else {
/ 遍历udp 控制块链表 /
for (pcb2 = udp_pcbs; pcb2 != NULL; pcb2 = pcb2->next) {
/ 在链表中找到了该控制块 /
if (pcb2->next != NULL && pcb2->next == pcb) {
/ 将该控制块在链表中删除 /
pcb2->next = pcb->next;
break;
}
}
}
/ 释放该控制块的内存空间 */
memp_free(MEMP_UDP_PCB, pcb);
}

删除UDP控制块，并将该控制块从UDP控制块链表中删除，最后释放控制块的内存空间。

通过udp_remove()以及后面的udp_connect()可以看到lwip对udp控制块链表的管理方式：单向链表，每次添加新节点插到链表开头，尾节点的next为NULL。
简单方便，但个人认为控制块链表头作为全局变量存放，使用时也没有加锁或者关中断保护，在RTT这类抢占式的操作系统中，是存在临界区问题的，应用开发时应避免频繁的对控制块链表有操作。

2.2.2. 绑定

/**

将UDP控制块绑定到一个本地IP和端口号上
@param pcb UDP控制块指针
@param ipaddr 要绑定的本地IP
@param port 要绑定的本地端口号，输入0时会绑定一个随机端口
@return 错误码
*/
err_t udp_bind(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port);

udp_bind()除了将控制块与指定的IP和端口号绑定，还会检查UDP控制块是否挂载到了上文提到的全局UDP控制块链表中、待绑定的IP-端口号是否与链表中的其他控制块重复，未挂载、未重复的话会执行挂载：

{
/* code... /
rebind = 0;
/ 遍历udp控制块链表 /
for (ipcb = udp_pcbs; ipcb != NULL; ipcb = ipcb->next) {
/ 如果当前控制块已在控制块链表中 /
if (pcb == ipcb) {
/ 已挂载标志位置位 /
rebind = 1;
break;
}
}
/ code... /
/ 未挂载? /
if (rebind == 0) {
/ 将当前控制块插入到链表头 /
pcb->next = udp_pcbs;
udp_pcbs = pcb;
}
/ code... */
}

绑定本地端口不是UDP通讯的必要步骤，因为如果没有绑定本地端口，调用sendto()时会分配一个随机端口。

该接口一般是设备作UDPS时使用，在此场景下，存在UDPC先向UDPS发送数据的情况，因此需要预先知道UDPS的端口号，即UDPS需要绑定某个端口而不能是随机端口。

2.2.3. 连接/断连
/**

将UDP与指定IP、端口“建立连接”
@param pcb UDP控制块指针
@param ipaddr 要连接的目的IP
@param port 要连接的目的端口
@return 错误码
*/
err_t udp_connect(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port);

UDP是无连接的，因此udp_connect()并不会真的像TCP的connect()一样去执行建立连接的网络交互，而只是在内部把目标IP和端口号与UDP控制块绑定。ip和端口号绑定成功后，函数内部会将该PCB的flag置位为已连接：

pcb->flags |= UDP_FLAGS_CONNECTED;

udp_connect()会检查控制块是否绑定了本地ip端口，如果未绑定，会执行一次udp_bind()，绑定到随机端口。

udp_connect()还会检查该控制块是否挂载到了udp控制块链表中，未挂载的话执行挂载。

udp_connect()同样也不是UDP通讯的必要步骤，绑定的优点在于绑定后可以直接调用udp_send()，直接向绑定的目标IP和端口发送数据，无需像调用udp_sendto()接口一样每次指定目标IP和端口，同时提高了执行效率，recv()时防止受到其他IP数据。

该接口一般是设备作UDPC时使用，绑定了目标IP后直接调用udp_send()发送，UDPS这类需要频繁向不同目标IP、端口发送数据的应用显然不适合使用该接口。

/**

“断开”UDP控制块已经建立的连接

@param pcb UDP控制块指针
*/
void udp_disconnect(struct udp_pcb *pcb);

与udp_connect()同理，udp_disconnect()也不会真的执行断开连接的交互，只是将控制块中绑定的远程IP、端口号清零，并将flag的连接标志复位。也没有将控制块从链表中删除的操作。

pcb->remote_port = 0;
pcb->netif_idx = NETIF_NO_INDEX;
udp_clear_flags(pcb, UDP_FLAGS_CONNECTED);

2.2.4. 发送

err_t udp_send(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p);
err_t udp_sendto(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port);
err_t udp_sendto_if(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port,
struct netif *netif);
err_t udp_sendto_if_src(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port,
struct netif *netif, const ip_addr_t *src_ip);

四个函数是一层一层调用的，udp_send() -> udp_sendto() -> udp_sendto_if() -> udp_sendto_if_src(),从udp_send()函数开始，只需要传入UDP控制块和pbuf指针，在每层的调用过程中根据控制块中的信息将目的ip、端口号、netif、源IP信息逐步补全，最后通过ip_output_if_src()函数将数据传输到IP层继续处理。

实际开发中常用的两个接口是send()和sendto()，如上文介绍，执行过connect()的UDP可以直接调用send()发送到固定IP端口，代码设计上更加简洁高效。而调用sendto()可以每次向不同目标IP端口发送，使用上更加灵活。

2.2.5. 接收
/**

为控制块注册接收回调
@param pcb UDP控制块指针
@param recv 处理网络数据的接收回调
@param recv_arg 触发时传入回调的用户自定义参数
*/
void udp_recv(struct udp_pcb *pcb, udp_recv_fn recv,void *recv_arg);

udp层提供的方法是通过注册接收回调的方式实现接收网络数据。
回调类型：

/**

udp接收回调
@param arg 回调注册时设置的用户自定义参数
@param pcb UDP控制块
@param p pbuf指针(payload在这里)
@param addr 数据来源IP
@param port 数据来源端口号
*/
typedef void (*udp_recv_fn)(void *arg, struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port);

注册的回调在udp_input()中被执行，而udp_input()由IP层的ip4_input()/ip6_input()触发。网络端收到数据后，IP层会判断数据协议是否为UDP协议，若是则将数据、发送方的信息、用户自定义数据传入udp_input()，最终到达用户设置的回调中供使用。

原作者：null_