15. UDP协议¶
UDP是一个简单的数据报的传输层协议：应用线程的每个输出数据都正好产生一个 UDP数据报，并组装成一份待发送的 IP数据报。这与面向数据流的TCP协议不同，TCP协议的应用程序产生的全体数据与真正发送的单个TCP报文段可能没有什么联系。
15.1. UDP协议简介¶
UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据报协议，是一种无连接、不可靠的协议，它只是简单地实现从一端主机到另一端主机的数据传输功能，这些数据通过IP层发送，在网络中传输，到达目标主机的顺序是无法预知的，因此需要应用程序对这些数据进行排序处理，这就带来了很大的不方便，此外，UDP协议更没有流量控制、拥塞控制等功能，在发送的一端，UDP只是把上层应用的数据封装到UDP报文中，在差错检测方面，仅仅是对数据进行了简单的校验，然后将其封装到IP数据报中发送出去。而在接收端，无论是否收到数据，它都不会产生一个应答发送给源主机，并且如果接收到数据发送校验错误，那么接收端就会丢弃该UDP报文，也不会告诉源主机，这样子传输的数据是无法保障其准确性的，如果想要其准确性，那么就需要应用程序来保障了。
UDP协议的特点：
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。
UDP虽然有很多缺点，但是也不排除其能用于很多场合，因为在如今的网络环境下，UDP协议传输出现错误的概率是很小的，并且它的实时性是非常好，常用于实时视频的传输，比如直播、网络电话等，因为即使是出现了数据丢失的情况，导致视频卡帧，这也不是什么大不了的事情，所以，UDP协议还是会被应用与对传输速度有要求，并且可以容忍出现差错的数据传输中。
15.2. UDP常用端口号¶
与TCP协议一样，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，同样的，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，同样的使用“IP地址+端口号”来区分主机不同的线程。
常见的UDP协议端口号有
端口号 |
协议 |
说明 |
|---|---|---|
53 |
DNS |
域名服务器，因特网上作为域名和IP地址相 互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方 便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直 接读取的IP数串。 |
69 |
TFTP |
小型文件传输协议 |
123 |
NTP |
网络时间协议，它是用来同步网络中各个计算 机时间的协议。 |
161 |
SNMP |
简单网络管理协议 |
15.3. UDP报文¶
UDP报文也被称为用户数据报，与TCP协议一样，由报文首部与数据区域组成。在UDP协议中， 它只是简单将应用层的数据进行封装（添加一个UDP报文首部），然后传递到IP层，再通过网卡发送出去， 因此，UDP数据也是经过两次封装，具体见 图14_1。
图 14‑1UDP报文封装
UDP报文结构示意图具体见图 14‑2。
图 14‑2UDP报文结构
关于源端口号、目标端口号与校验和字段的作用与TCP报文段一样，端口号的取值在0~65535之间；16bit的总长度用于记录UDP报文的总长度，包括8字节的首部长度与数据区域。
15.4. UDP报文的数据结构¶
15.4.1. UDP报文首部结构体¶
LwIP定义了一个UDP报文首部数据结构，名字叫udp_hdr，是一个结构体，它定义了UDP报文首部的各个字段，具体见 代码清单14_1。
代码清单 14‑1 udp_hdr结构体
PACK_STRUCT_BEGIN
struct udp_hdr
{
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); /*src/dest UDP ports */
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t len);
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
15.4.2. UDP控制块¶
与TCP协议一样，为了更好管理UDP报文，LwIP定义了一个UDP控制块，记录与UDP通信的所有信息， 如源端口号、目标端口号、源IP地址、目标IP地址以及收到数据时候的回调函数等等， 系统会为每一个基于UDP协议的应用线程创建一个UDP控制块，并且将其与对应的端口绑定，这样子就能进行UDP通信了。 与TCP协议一样，LwIP会把多个这样子的UDP控制块用一个链表连接起来，在处理的时候遍历列表， 然后对控制块进行操作，具体见 代码清单14_2。
代码清单 14‑2UDP控制块
#define IP_PCB \
/* 本地ip地址与远端IP地址 */ \
ip_addr_t local_ip; \
ip_addr_t remote_ip; \
/* 网卡id */ \
u8_t netif_idx; \
/* Socket 选项 */ \
u8_t so_options; \
/* 服务类型 */ \
u8_t tos; \
/* 生存时间 */ \
u8_t ttl \
IP_PCB_NETIFHINT
/** UDP控制块 */
struct udp_pcb
{
IP_PCB;
//指向下一个控制块
struct udp_pcb *next;
//控制块状态
u8_t flags;
/** 本地端口号与远端端口号 */
u16_t local_port, remote_port;
/** 接收回调函数 */
udp_recv_fn recv;
/** 回调函数参数 */
void *recv_arg;
};
UDP控制块会使用IP层的一个宏定义IP_PCB，里面包括IP层需要使用的信息，如本地IP地址与目标IP地址（或者称为远端IP地址），服务类型、网卡、生存时间等，此外UDP控制块还要本地端口号与目标（远端）端口号，这两个字段很重要，UDP协议就是根据这些端口号识别应用线程，当UDP收到一个报文的时候，会遍历链表上的所有控制块，根据报文的目标端口号找到与本地端口号相匹配的UDP控制块，然后递交数据到上层应用，而如果找不到对应的端口号，那么就会返回一个端口不可达ICMP差错控制报文。
除此之外LwIP会为我们注册一个接收数据回调函数，当然啦，如果我们使用RAW API编程，这个回调函数就需要我们自己实现，在LwIP接收到一个给本地的数据时候， 就会调用这个回调函数，而recv字段就是指向这个回调函数的，其函数原型具体见 代码清单14_3。
代码清单 14‑3 udp_recv_fn函数原型
typedef void (*udp_recv_fn)(void *arg,
struct udp_pcb *pcb,
struct pbuf *p,
const ip_addr_t *addr,
u16_t port);
一般来说，我们使用NETCONN API或者是Socket API编程，是不需要我们自己去注册回调函数recv_udp()，因为这个函数LwIP内核会自动给我们注册，具体见 代码清单14_4。
代码清单 14‑4注册接收回调函数
void
udp_recv(struct udp_pcb *pcb,
udp_recv_fn recv,
void *recv_arg)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
/* 注册回调函数 */
pcb->recv = recv;
pcb->recv_arg = recv_arg;
}
udp_recv(msg->conn->pcb.udp,
recv_udp,
msg->conn);
LwIP中定义了一个名字为udp_pcbs的UDP控制块链表，记录主机中所有的UDP控制块，每个UDP协议的应用线程都能受到内核的处理， UDP控制块链表将UDP控制块连接起来，在收到数据需要处理的时候，内核变量链表，查找UDP控制块的信息， 从而调用对应的回调函数，当然，我们不使用RAW API编程的时候，回调函数只有一个，UDP控制块链表示意图具体见 图14_3。
图 14‑3UDP控制块链表
15.5. UDP报文发送¶
UDP协议是传输层，所以需要从上层应用线程中得到数据，我们使用NETCONN API或者是Socket API编程，那么传输的数据经过内核的层层处理，最后调用udp_sendto_if_src()函数进行发送UDP报文，具体见 代码清单14_5。
代码清单 14‑5 udp_sendto_if_src()源码（已删减）
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)
{
struct udp_hdr *udphdr;
err_t err;
struct pbuf *q; /* q will be sent down the stack */
u8_t ip_proto;
u8_t ttl;
/* 如果UDP控制块尚未绑定到端口，请将其绑定到这里 */
if (pcb->local_port == 0)
{
err = udp_bind(pcb, &pcb->local_ip, pcb->local_port);
if (err != ERR_OK)
{
return err;
}
}
/* 数据包太大，无法添加UDP首部 */
if ((u16_t)(p->tot_len + UDP_HLEN) < p->tot_len)
{
return ERR_MEM;
}
/* 没有足够的空间将UDP首部添加到给定的pbuf中 */
if (pbuf_add_header(p, UDP_HLEN))
{
/* 在一个单独的新pbuf中分配标头 */
q = pbuf_alloc(PBUF_IP, UDP_HLEN, PBUF_RAM);
/* 无法分配新的标头pbuf */
if (q == NULL)
{
return ERR_MEM;
}
if (p->tot_len != 0)
{
/* 把首部pbuf和数据pbuf连接到一个pbuf链表上 */
pbuf_chain(q, p);
}
}
else
{
/* 在数据pbuf中已经预留UDP首部空间 */
/* q指向pbuf */
q = p;
}
/* 填写UDP首部各个字段 */
udphdr = (struct udp_hdr *)q->payload;
udphdr->src = lwip_htons(pcb->local_port);
udphdr->dest = lwip_htons(dst_port);
/* in UDP, 0 checksum means 'no checksum' */
udphdr->chksum = 0x0000;
udphdr->len = lwip_htons(q->tot_len);
ip_proto = IP_PROTO_UDP;
/* 发送到IP层 */
NETIF_SET_HINTS(netif, &(pcb->netif_hints));
err = ip_output_if_src(q, src_ip,
dst_ip, ttl, pcb->tos,
ip_proto, netif);
NETIF_RESET_HINTS(netif);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpoutdatagrams);
if (q != p)
{
/* 释放内存 */
pbuf_free(q);
q = NULL;
}
UDP_STATS_INC(udp.xmit);
相比于TCP协议的处理，UDP发送的处理就简单太多了，即使我们加上校验那部分，也是非常简单的，就是直接将用户的数据添加UDP首部然后调用ip_output_if_src()函数发送到IP层，当然啦，在这个函数之前还是有很多操作的，比如找到本地合适的网卡发送出去，找到本地IP地址与本地端口、找到目标IP地址与目标端口等等
15.6. UDP报文接收¶
根据前面第十一章 图11_8 我们知道：当有一个UDP报文被IP层接收的时候，IP层会调用udp_input()函数将报文传递到传输层， LwIP就会去处理这个UDP报文，UDP协议会对报文进行一些合法性的检测，如果确认了这个报文是合法的， 那么就遍历UDP控制块链表，在这些控制块中找到对应的端口，然后递交到应用层，首先要判断本地端口号、 本地IP地址与报文中的目标端口号、目标IP地址是否匹配，如果匹配就说明这个报文是给我们的， 然后调用用户的回调函数recv_udp()将受到的数据传递给上层应用。而如果找不到对应的端口， 那么将返回一个端口不可达ICMP差错控制报文到源主机，当然，如果LwIP接收到这个端口不可达ICMP报文，也是不会去处理它的，udp_input()函数源码具体见。
代码清单 14‑6udp_input()源码
void
udp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{
struct udp_hdr *udphdr;
struct udp_pcb *pcb, *prev;
struct udp_pcb *uncon_pcb;
u16_t src, dest;
u8_t broadcast;
u8_t for_us = 0;
LWIP_UNUSED_ARG(inp);
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
PERF_START;
UDP_STATS_INC(udp.recv);
/* 检查最小长度，不能小于UDP首部 */
if (p->len < UDP_HLEN)
{
UDP_STATS_INC(udp.lenerr);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpinerrors);
pbuf_free(p);
goto end;
}
//指向UDP报文首部，并且强制转换成udp_hdr类型，方便操作
udphdr = (struct udp_hdr *)p->payload;
/* 判断一下是不是广播包 */
broadcast = ip_addr_isbroadcast(ip_current_dest_addr(),
ip_current_netif());
/* 得到UDP首部中的源主机和目标主机端口号 */
src = lwip_ntohs(udphdr->src);
dest = lwip_ntohs(udphdr->dest);
udp_debug_print(udphdr);
pcb = NULL;
prev = NULL;
uncon_pcb = NULL;
//遍历UDP链表，找到对应的端口号，如果找不到，
//那就用链表的第一个未使用的UDP控制块
for (pcb = udp_pcbs; pcb != NULL; pcb = pcb->next)
{
/* 将UDP控制块本地地址+端口与UDP目标地址+端口进行比较 */
if ((pcb->local_port == dest) &&
(udp_input_local_match(pcb, inp, broadcast) != 0))
{
if ((pcb->flags & UDP_FLAGS_CONNECTED) == 0)
{
if (uncon_pcb == NULL)
{
/* 如果未找到使用第一个UDP控制块 */
uncon_pcb = pcb;
#if LWIP_IPV4
}
else if (broadcast && ip4_current_dest_addr()->addr
== IPADDR_BROADCAST)
{
/* 对于全局广播地址 */
if (!IP_IS_V4_VAL(uncon_pcb->local_ip) ||
!ip4_addr_cmp(ip_2_ip4(&uncon_pcb->local_ip),
netif_ip4_addr(inp)))
{
/* 当前UDP控制块与输入netif不匹配，检查此UDP控制块 */
if (IP_IS_V4_VAL(pcb->local_ip) &&
ip4_addr_cmp(ip_2_ip4(&pcb->local_ip),netif_ip4_addr(inp)))
{
/* 得到更好的匹配 */
uncon_pcb = pcb;
}
}
#endif /* LWIP_IPV4 */
}
}
/* 将UDP控制块的目标地址+端口与UDP控制块源地址+端口进行比较 */
if ((pcb->remote_port == src) &&
(ip_addr_isany_val(pcb->remote_ip) ||
ip_addr_cmp(&pcb->remote_ip, ip_current_src_addr())))
{
/* 第一个完全匹配的UDP控制块 */
if (prev != NULL)
{
/* 将UDP控制块移动到udp_pcbs的前面，
这样就可以在下次查找的时候处理速度更快 */
prev->next = pcb->next;
pcb->next = udp_pcbs;
udp_pcbs = pcb;
}
else
{
UDP_STATS_INC(udp.cachehit);
}
break;
}
}
prev = pcb;
}
/* 找不到完全匹配的UDP控制块？
将第一个未使用的UDP控制块作为匹配结果 */
if (pcb == NULL)
{
pcb = uncon_pcb;
}
/* 检查校验和是否匹配或是否匹配。 */
if (pcb != NULL)
{
for_us = 1;
}
else
{
if (!ip_current_is_v6())
{
for_us = ip4_addr_cmp(netif_ip4_addr(inp),
ip4_current_dest_addr());
}
}
//匹配
if (for_us)
{
//调整报文的数据区域指针
if (pbuf_remove_header(p, UDP_HLEN))
{
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpinerrors);
pbuf_free(p);
goto end;
}
//如果找到对应的控制块
if (pcb != NULL)
{
MIB2_STATS_INC(mib2.udpindatagrams);
/* 回调函数，将数据递交给上层应用 */
if (pcb->recv != NULL)
{
/* recv函数需要负责释放p */
pcb->recv(pcb->recv_arg, pcb, p,
ip_current_src_addr(), src);
}
else
{
/* 如果recv函数没有注册，直接释放p */
pbuf_free(p);
goto end;
}
}
/* 没有找到匹配的控制块，返回端口不可达ICMP报文 */
else
{
if (!broadcast &&
!ip_addr_ismulticast(ip_current_dest_addr()))
{
/* 将数据区域指针移回IP数据报首部 */
pbuf_header_force(p,
(s16_t)(ip_current_header_tot_len() + UDP_HLEN));
//返回一个端口不可达ICMP差错控制报文到源主机中
icmp_port_unreach(ip_current_is_v6(), p);
}
UDP_STATS_INC(udp.proterr);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpnoports);
pbuf_free(p);
}
}
else
{
pbuf_free(p);
}
end:
PERF_STOP("udp_input");
return;
}
虽然udp_input()函数看起来很长，但是其实是非常简单的处理，主要就是遍历UDP控制块链表udp_pcbs找到对应的UDP控制块，然后将去掉UDP控制块首部信息，提取UDP报文数据递交给应用程序，而递交的函数就是在UDP控制块初始化时注册的回调函数，即recv_udp()，而这个函数会让应用能读取到数据，然后做对应的处理。
至此，UDP系统的内容就讲解完毕，对比TCP协议是不是简单太多了，整个UDP协议的处理过程具体见 图14_4。
图 14‑4UDP协议的处理过程