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前言
主要分析源码实现。
源码部分，本章节也只分析协议实现部分和最原始的南北接口。
北向协议栈接口和套接字接口的封装后面有独立章节分析。
即是UDP RAW接口。
友链：
11.1 传输层说明
IP协议只能完成数据报在互联网主机之间的传递，交付。
而传输层主要负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。
传输层的几个重要的任务：
- 为两个通信的进程提供连接机制。即是传输层需要识别两个正在通信的进程。
- 传输层应该提供数据传输服务。在数据发送端，传输层将用户数据进行组装递交给IP层发送出去。在接收端，等待属于同一应用程序的所有数据单元到达，然后解析转交给用户。
- 为了提供可靠的传输服务，传输层还可以提供流量控制、数据确认等，保证两个主机的应用程序之间数据的有效性。
11.2 UDP协议简介
UDP 是 User Datagram Protocol 的简称，中文名是用户数据报协议。
11.3 UDP特点
UDP特点：
- 无连接、不可靠。
- 尽可能提供交付数据服务，出现差错直接丢弃，无反馈。
- 面向报文，发送方的 UDP 拿到上层数据直接添加个 UDP 首部，然后进行校验后就递交给IP 层，而接收的一方在接收到 UDP 报文后简单进行校验，然后直接去除数据递交给上层应用。
- 支持一对一，一对多，多对一，多对多的交互通信。
- 速度快，UDP 没有 TCP 的握手、确认、窗口、重传、拥塞控制等机制，UDP 是一个无状态的传输协议，所以它在传递数据时非常快，即使在网络拥塞的时候 UDP 也不会降低发送的数据。
11.4 UDP端口号
UDP 报文协议根据对应的端口号传递到目标主机的应用线程的。
传输层到应用层的唯一标识是通过端口号决定的，两个线程之间进行通信必须用端口号进行识别。
使用“IP 地址 + 端口号”来区分主机不同的线程。
范围：[0,65535]，因为只有2字节：
- 端口号小于256的定义为常用端口，服务器一般都是通过常用端口号来识别的。任何TCP/IP实现所提供的服务都用[1，1023]之间的端口号，是由ICANN来管理的；
- 端口号从[1024, 49151]是被注册的端口，也成为“用户端口”，被IANA指定为特殊服务使用。
- 大多数TCP/IP实现给临时端口号分配[1024, 5000]之间的端口号。
- 大于5000的端口号是为其他服务器预留的。
- 客户端只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。客户端端口号因存在时间很短暂又称临时端口号。
常见的UDP协议端口号：
| 端 口 号 |
协 议 |
说明 |
|---|---|---|
| 0 | 保留 | |
| 7 | echo | 报文回送服务器端口 |
| 53 | DNS | 域名服务器端口 |
| 69 | TFT | 中小型文件传输协议端口 |
| 123 | NTP | 网络时问协议端口 是用来同步网络中各个计算机时问的协议 |
| 161 | SNMP | 简单网络管理协议端口 |
11.5 UDP报文
UDP 报文也被称为用户数据报。
UDP报文封装：
- UDP的数据区就是用户程序的数据了。
UDP报文格式：
源端口号：用户发送数据的进程锁绑定的本地端口号。
- 用户进程调用UDP相关业务时，可以不配置源端口号。若不配置，内部会自动适配一个临时端口号。
目的端口号：远端主机用户进程接收数据绑定的端口号。
总长度：是UDP数据报的总长度：UDP首部+UDP数据区。
- 这个字段有点冗余，因为在IP报文中就包含了IP首部和IP总长度，这样能计算出UDP数据报的长度。所以，UDP LITE就把这个字段改为需要进行校验和的UDP报文数据长度（从UDP首部算起）。
- 对于UDP LITE协议，这个字段为0时，表示对整个UDP报文进行校验和计算。参考
RFC 3828 chap. 3.1。 - 对于UDP LITE协议，这个字段要么为0，要么不少于UDP报文首部长度（即是校验和至少要涵盖UDP首部）。参考
RFC 3828 chap. 3.1。
检验和：UDP协议为UDP伪首部+UDP首部+UDP数据区所有数据都加入校验和。UDP LITE协议为“总长度”指定的长度加入校验和，从UDP伪首部算起，再加上伪首部校验和。
-
填入0时，表示不进行校验和。而在实际计算校验和得到的结果刚好为0时，则向校验和字段填入0FFFF。
- 填入0XFFFF的可行性证明：如果校验和结果为0，即是其它数据的和为0XFFFF。而对端继续校验和时，就是0XFFFF+0XFFFF，结果还是0XFFFF。
UDP LITE：UDP协议的校验和是UDP首部和UDP数据区，如果数据区很多数据，一个校验失败就丢弃了，代价有点大，所以衍生出UDP LITE。只校验UDP报文前面指定数据长度的数据。一般用于实时适配、实时通话等这些要求通信速度快，可靠性要求不高的业务中。
11.6 UDP伪首部和校验和
UDP校验和的计算包括了三部分：UDP伪首部+UDP首部+UDP数据区。
UDP伪首部包含IP首部一些字段。其目的是让UDP验证数据是否已经正确到达目的地。
UDP伪首部只参与校验，不参与实际发送。
伪首部中UDP总长度和UDP首部的总长度字段一致。
11.7 wireshark报文分析
11.8 UDP数据结构
参考udp.c、udp.h文件
11.8.1 UDP首部
UDP首部长度：
UDP首部数据结构：
11.9 UDP控制块
UDP控制块是整个UDP协议实现的核心部分。
LWIP使用UDP控制块来描述一个UDP连接的所有相关信息，包括源端口号、目的端口号、源IP、目的IP等等。
LWIP为每个UDP连接都分配一个UDP控制块，并用链表udp_pcbs链起来。
但是LWIP也给UDP控制块数量设限制，MEMP_NUM_UDP_PCB为UDP控制块的内存池数量。该宏缺省为8。
UDP控制块数据结构：
11.10 端口号相关
11.10.1 端口号范围
11.10.2 端口号初始值
UDP的端口号由全局值udp_port累加管理。
其初始值有两次初始：第一次是变量赋值，第二次是调用udp_init()进行随机初始。
变量初始值：
随机初始化：
- 需要开启LWIP随机宏
LWIP_RAND。
11.10.3 udp_new_port()端口号申请
端口号申请是有udp_port进行累加，溢出就复位到UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START。
11.11 UDP控制块操作函数
UDP控制块的操作函数相对简单，因为没有流量控制、没有确认机制等等。
11.11.1 udp_new()：新建UDP控制块
udp_new()：
- 从
MEMP_UDP_PCB内存池中获取UDP控制块资源。 - 初始化部分字段。
11.11.2 udp_remove()：删除UDP控制块
udp_remove()：
struct udp_pcb *pcb：需要删除的UDP控制块。
11.11.3 udp_bind()：绑定控制块
当UDP服务于应用程序时，数据流需要底层和应用层进行对接，就需要把UDP控制块绑定到本地IP和端口号。
绑定控制块时需要注意的是：
- 检查是否有PCB已经绑定了当前IP和端口号。
- 当前PCB有没有已经插入了
udp_pcbs链表。
小笔记：在没有设置SOF_REUSEADDR选项功能时，需要确保一个UDP报文最多只能到达一个应用程序。即是一个网络接口中的一个端口号。需要注意的是任意IP。
udp_bind()：
-
struct udp_pcb *pcb：需要绑定本地IP和端口号的UDP控制块。 -
ip_addr_t *ipaddr：UDP控制块需要绑定的本地IP地址。- 如果为NULL，则绑定本地IP为全0的IP。即表示本地任意IP都可。
- 如果不为空，则绑定指定的本地IP。
-
u16_t port：UDP控制块需要绑定的本地端口号。- 如果为0，则绑定由内部调用
udp_new_port()随机生成端口号。 - 如果不为0，则绑定指定的端口号。
- 如果为0，则绑定由内部调用
-
先检查下当前UDP控制块有没有插入了
udp_pcbs链表，因为绑定成功后，需要插入该链表。已经插入了，就不需要重复操作。 -
检查绑定的IP地址。传入为空，则赋值为全0的IP地址。
-
检查绑定的端口号。
-
如果为0，则调用
udp_new_port()生成一个并绑定。 -
如果不为0，则遍历
udp_pcbs链表，判断是否有其它UDP控制块重复使用这个端口号。确保一个UDP报文最多只有一个应用程序去向。相同条件：端口号相同且IP报文能到达这个服务。IP报文能否到达这个服务，可以通过以下判断（其一即符合要求）：重复端口号的UDP控制块绑定的IP对比当前UDP控制块需要绑定的IP。- 两个IP一致。
- 任一IP为全0。（出现万能IP）
- 如果开启了
SO_REUSE且两个UDP控制块都配置了SO_REUSEADDR功能，则不用对比了，直接支持复用。
-
这里需要注意是否开启
SO_REUSEADDR选项，即是立即启用端口号的功能。由宏SO_REUSE决定有没有这个功能，用户在代码中设置SO_REUSEADDR是否开启该功能。
-
-
把需要绑定的IP和端口号填入UDP控制块。绑定成功。
-
确保当前UDP控制块插入了
udp_pcbs链表。
11.11.4 udp_bind_netif()：绑定网卡
udp控制块也可以绑定指定网卡。
udp_bind_netif()：
-
udp_pcb *pcb：需要绑定网卡的UDP控制块。 -
struct netif *netif：UDP控制块需要绑定的网卡。- 为NULL时，表示解绑。
-
获取网卡索引，绑定到UDP控制块。
11.11.5 udp_connect()：连接控制
(本地行为)
UDP协议是没有连接状态的，但是为什么UDP可以调用udp_connect()这个函数？有什么用？
- 调用这个是为了这个UDP控制块本地长期绑定一个远端IP和端口号，减少后面重复绑定和解绑的步骤。
先了解下UDP sendto() 函数传输数据过程 ：
- 第 1 阶段：向 UDP 控制块注册目标 IP 和端口号。
- 第 2 阶段：传输数据。
- 第 3 阶段：删除 UDP 控制块中注册的目标地址信息。
如果需要频繁发送，那第一阶段和第三阶段是重复多余的，所以可以使用 已连接（connect）UDP 控制块。
所以udp_connect()这个函数的目的是把UDP控制块注册长期目标IP和端口号，这样中途调用发送函数时，不需要重新注册和注销。
可以使用udp_disconnect()进行注销。
udp_connect()：
struct udp_pcb *pcb：需要连接的UDP控制块。ip_addr_t *ipaddr：远端IP地址。u16_t port：远端端口号。- 先检查有没有绑定了本地应用程序：即是UDP控制块有没有绑定了本地IP（包括任意IP）和本地端口号。还没有绑定，则调用
udp_bind()进行绑定。 - 注册远端IP和远端端口号。
- 标记当前UDP控制块状态为已连接状态。
- 确保当前UDP控制块已激活：即是是否插入了
udp_pcbs链表。还没插入就需要插入处理。
11.11.6 udp_disconnect()：断开连接
(本地行为)
就是本地注销远端IP和远端端口号的绑定。
udp_disconnect()：
- 重置UDP控制块远端IP和远端端口号字段。
- 解绑本地网卡。
- 标记UDP控制块为未连接。
11.11.7 udp_recv()：控制块注册接收函数
udp_recv()只是用于UDP控制块注册接收函数。
11.11.8 udp_netif_ip_addr_changed()：更新UDP控制块本地IP
当底层网卡在IP层的IP有所更新时，需要把UDP控制块中本地IP绑定就的IP也更新。
即是当IP地址改变时，将从netif.c调用此函数检查并更新。
udp_netif_ip_addr_changed()：
ip_addr_t *old_addr：旧IP。ip_addr_t *new_addr：新IP。- 检索LWIP中UDP控制块链表
udp_pcbs，把绑定就的IP更新到新的IP去。
11.12 UDP发送数据
注意校验和相关宏：
LWIP_CHECKSUM_ON_COPY：在支持使用数据区已经计算好的UDP数据区校验和。CHECKSUM_GEN_UDP：在软件中生成出UDP数据包的校验和。
在分析前先说明需要分析的几个函数的关系：
-
udp_send()：UDP RAW的接口，需要的参数只需要UDP和用户数据即可。 -
udp_sendto()：UDP RAW的接口，对比上面函数，可以指定远端IP和与远端端口号。 -
udp_sendto_if()：UDP RAW的接口，对比上面udp_sendto()函数，该函数还能指定网卡。 -
udp_sendto_if_src()：UDP RAW的接口，也是UDP发送数据的基函数，是实现组装UDP包，和转交到IP层的接口函数。上面的函数都是必须经过该函数实现的。- 主要分析该函数。其它函数看看就好了。
11.12.1 udp_sendto_if_src()：UDP发送数据基函数
先分析UDP发送数据基函数，即是组装UDP报文的函数。
然后再分析其它封装这个基函数的相关API。
udp_sendto_if_src()：
struct udp_pcb *pcb：负责本次数据交互的UDP控制块。struct pbuf *p：需要发送的数据的pbuf。ip_addr_t *dst_ip：远端IP。u16_t dst_port：远端端口号。struct netif *netif：本地网卡，即是发送本次UDP报文的网络接口。ip_addr_t *src_ip：源IP地址。- 检查传入的参数是否异常。
- 检查当前UDP控制块有没有绑定了本地IP（包括任意IP）和本地端口号。还没绑定就需要调用
udp_bind()进行绑定。 - 预测检查UDP报文长度：UDP数据区追加UDP首部后是否溢出，溢出丢弃。
- 检查pbuf长度能否扩充到链路层报文：不能就申请多一个pbuf q，包含么UDP首部+IP首部+链路层首部，然后拼接到当前pbuf，让其拥有足够空间。
- 填充UDP报文首部的几个字段。
- 其中，UDP首部的长度字段和校验和需要按协议类型和相关宏处理。
- 最后把UDP报文转交给IP层：调用
ip_output_if_src()转发出去。
11.12.2 udp_send()：UDP发送数据函数
从用户的角度看，用户前期配置好UDP控制块后，后面发送数据只需要提供两个参数：UDP控制块和需要发送的数据即可。
所以就有了udp_send()函数，该函数的实现是层层封装UDP发送数据的基函数udp_sendto_if_src()实现的：udp_send() --> udp_sendto() --> udp_sendto_if() --> udp_sendto_if_src()。
udp_send()：没有指定远端IP和端口号则使用这个UDP PCB中的。
udp_pcb *pcb：负责本次发送的UDP控制块。struct pbuf *p：需要发送的UDP数据。
udp_sendto()：指定远端IP和远端端口号的UDP发送。
-
struct udp_pcb *pcb：负责本次发送的UDP控制块。 -
struct pbuf *p：需要发送的数据的pbuf。 -
ip_addr_t *dst_ip：远端IP地址。 -
u16_t dst_port：远端端口号地址。 -
传入参数校验。
-
还需要指定本地网卡：
- 如果UDP控制块已经绑定了本地网卡，则直接调用该网卡即可。
- 否则，需要根据远端IP地址，用
ip4_route_src()去路由匹配。这个匹配逻辑可以参考前面IP章节。
-
然后调用
udp_sendto_if()发送出去。
udp_sendto_if()：确定UDP本地IP地址，然后调用udp_sendto_if_src()UDP发送数据基函数进行组包。
-
struct udp_pcb *pcb：负责本次发送的UDP控制块。 -
struct pbuf *p：需要发送的数据的pbuf。 -
ip_addr_t *dst_ip：远端IP地址。 -
u16_t dst_port：远端端口号地址。 -
struct netif *netif：指定发送UDP报文的网卡。 -
参数校验。
-
确定本地IP：
- 如果UDP控制块没有指定本地IP，则获取指定的网卡的IP作为UDP本地IP。
- 如果UDP控制块指定了本地IP，则这个IP必须和指定网卡的IP一致，否则不发送。
11.13 UDP接收数据
UDP接收处理数据，南向是通过udp_input()API给IP层收到UDP数据报后上交到UDP协议处理。
udp_input()：
-
struct pbuf *p：收到UDP报文的pbuf。 -
struct netif *inp：收到该UDP报文的网卡。 -
参数校验。
-
报文校验。
-
匹配UDP PCB：通过IP和端口号确保该UDP报文得到某个应用程序。遍历UDP PCB
udp_pcbs：-
UDP PCB 本地端口、IP和UDP报文目的端口和IP匹配：端口一致且IP匹配：
- 当前UDP PCB没有指定本地IP，或UDP报文的目的IP就是指向当前UDP PCB的IP。本地可以匹配成功。
- 如果UDP报文对应的目的IP是一个广播地址，且当前UDP设置了
SOF_BROADCAST选项。这个IP是全广播地址或者和当前UDP PCB IP处于同一个子网。本地可以匹配成功。 - 如果UDP PCB 本地端口、IP和UDP报文目的端口和IP匹配成功后，但是该UDP PCB还没有处于连接状态，则可以记录到
uncon_pcb变量中，有更适合且未连接的UDP PCB适配本次UDP报文的，更新到uncon_pcb中。
-
UDP PCB 远端端口、IP和UDP报文源端口和IP匹配：端口一致且IP匹配：
- UDP PCB远端IP随意或者就是当前UDP报文的源IP。远端匹配成功。
- 如果UDP PCB 远端端口、IP和UDP报文源端口和IP匹配失败，则可以使用UDP PCB 本地端口、IP和UDP报文目的端口和IP匹配但是未连接的UDP PCB
uncon_pcb。
-
上述都匹配成功后，UDP PCB即可匹配成功，当前 UDP 报文是给我们的。
-
-
校验和校验：
- UDP协议：校验和字段为0，不用校验。校验和字段不为0，则全部校验。
- UDP LITE协议：UDP报文的总长度字段值即为需要进行校验和计算的数据长度。注意：长度字段为0表示整个报文校验。(参考RFC 3828章3.1)
-
pbuf偏移头部，指向UDP数据区。即是用户数据。
-
如果开启了
SOF_REUSEADDR选项：则把当前UDP PCB包复制转发到所有能匹配成功的UDP PCB。- 如果没有开启该选项，当前UDP报文就只递交给第一个匹配成功的DUP PCB了。
-
把数据回调到上层应用：
pcb->recv()
11.14 UDP RAW接口编程
UDP层初始化接口：
南向供IP层使用：
UDP RAW相关接口分析：北向，供用户使用
11.15 个人博客
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