之前在做一個關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，使用到了WiFi傳輸數(shù)據(jù)，而在傳輸數(shù)據(jù)時使用到的協(xié)議就是LwIP協(xié)議棧中的udp協(xié)議。現(xiàn)在來回顧總結(jié)一下。要敘述LwIP協(xié)議棧，那自然得明白LwIP協(xié)議棧具體是個啥。總的來說，LwIP是TCP/IP協(xié)議中一種獨立、簡單的實現(xiàn)，其設(shè)計目的在于保證嵌入式產(chǎn)品擁有完整TCP/IP功能的同時，又能夠保證協(xié)議棧對處理器資源的有效消耗，其運行一般僅需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM。

LwIP的分層機制

在敘述udp協(xié)議概念之前，先對LwIP協(xié)議的框架有一個簡單的了解，LwIP在實現(xiàn)的時候，參考了TCP/IP協(xié)議的分層思想，每一層都在一個單獨的模塊中實現(xiàn)，并為其他層次模塊提供一些輸入/輸出接口函數(shù)。下面是分層結(jié)構(gòu)示意圖：

如同前面所說，LwIP協(xié)議只是參考了TCP/IP的分層結(jié)構(gòu)，但是它并沒有嚴(yán)格地遵循上述所示地分層機制，其為了節(jié)省時間和空間上地消耗，各個層次之間存在著交叉存取地現(xiàn)象。

我們通過上述地框圖可以知道UDP屬于傳輸層協(xié)議。要明白為什么有傳輸層協(xié)議，我們需要明白在傳輸層的下一層，也就是網(wǎng)絡(luò)互連層，有IP協(xié)議，IP協(xié)議是用于數(shù)據(jù)報在各個主機中傳遞的，但是我們在實際的應(yīng)用過程中，我們所需要的是數(shù)據(jù)報在各個應(yīng)用之間傳遞，說白了也就是在進程與進程之間通信，而傳輸層的存在就是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)報在進程與進程之間通信的。

而要完成進程到進程之間的通信，傳輸層需要完成幾個重要的任務(wù)：

第一：為兩個通信的進程提供連接機制，也就是說傳輸層在接收了IP層傳輸過來的數(shù)據(jù)之后，應(yīng)該將這個數(shù)據(jù)傳到哪一個應(yīng)用程序中。在這里是通過端口號來完成的。

第二：傳輸層需要提供數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送端，傳輸層將數(shù)據(jù)進行組裝、編號，將數(shù)據(jù)分割成可運輸?shù)膯卧缓笠来芜f交給IP層發(fā)送出去。而接收端的傳輸層需要等屬于同一應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)都到達之后，對他們進行差錯校驗、最后將整個數(shù)據(jù)交付給應(yīng)用程序。

第三：為了提供更為可靠的傳輸服務(wù)，傳輸層還應(yīng)該提供流量控制機制。

UDP協(xié)議

在簡單地敘述了關(guān)于LwIP的框架之后，接下來詳細闡述UDP地相關(guān)概念。UDP稱之為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是一種無連接地、不可靠地傳輸協(xié)議，它只在低級程度上實現(xiàn)了上述地傳輸層功能，為什么說只在低級程度上實現(xiàn)了上述功能呢？因為它只是簡單地完成數(shù)據(jù)從一個進程到另一個進程地交付，它沒有提供任何流量控制機制，收到地報文也沒有確認，差錯控制上，只提供了檢驗和計算，當(dāng)校驗和計算不成功時，它將丟棄掉這個報文。

當(dāng)用戶的進程使用UDP來傳送數(shù)據(jù)的時候，會經(jīng)歷三個過程

（1）UDP協(xié)議會在數(shù)據(jù)前加上首部組成UDP報文，并交給IP協(xié)議來發(fā)送

（2）IP層將報文封裝在IP數(shù)據(jù)報中并交給底層發(fā)送

（3）底層，IP數(shù)據(jù)報被封裝在物理數(shù)據(jù)幀中

在UDP的接收端，物理網(wǎng)絡(luò)先接收到數(shù)據(jù)幀，然后逐層將數(shù)據(jù)遞交給上層協(xié)議，每一層都在向上一層去除掉一個首部。

UDP報文格式

UDP報文成為用戶數(shù)據(jù)報，從結(jié)構(gòu)上可以分為兩部分：UDP首部和UDP數(shù)據(jù)區(qū)，下面是報文結(jié)構(gòu)示意圖：

UDP校驗和的計算超過了UDP報文本身，為了計算校驗和，UDP引入了偽首部的概念，加入了偽首部之后的UDP報文格式如下圖所示：

這里需要指出的一點是，偽首部完全是虛擬的，它并不會和用戶數(shù)據(jù)報一起被發(fā)送出去，只是在校驗和的計算過程中會被使用到，偽首部主要來自于運載UDP報文的IP數(shù)據(jù)報首部，將源IP地址和目的IP地址加入到校驗和的計算中可以驗證用戶數(shù)據(jù)報是否已經(jīng)到達正確的終點。

UDP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體解析

報文首部結(jié)構(gòu)

先來看下UDP數(shù)據(jù)報首部，代碼如下：

這個結(jié)構(gòu)體很簡潔，使用結(jié)構(gòu)體封裝宏定義的每個字段，還應(yīng)該注意的是四個字段保存的值應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)字段保持一致。

udp控制塊

控制塊是整個UDP中最為核心的東西，用戶使用UDP進行編程，以及對于UDP報文的處理，本質(zhì)上都是對UDP控制塊進行操作。一個UDP的控制塊包含UDP連接時需要的所有信息，主要包括：

端口號

目的端口號

源IP地址

目的IP地址

總體來說，系統(tǒng)會為每一個連接分配一個UDP控制塊，然后將他們組織在一個全局的鏈表上，當(dāng)UDP收到IP層遞交的報文的時候，就會去遍歷這個鏈表，找出與報文中首部信息匹配的控制塊，并調(diào)用控制塊中注冊的函數(shù)最終完成報文的處理。

在定義UDP控制塊的時候，會使用到IP的控制塊

如上述所示，IP控制塊的定義是通過一個宏來實現(xiàn)的，它包含了本地IP地址、遠端IP地址、socket選項、服務(wù)類型、生存時間這幾個字段。有了UP控制塊之后，我們再來看UDP控制塊，下面是UDP控制塊的代碼：

UDP協(xié)議實現(xiàn)的本質(zhì)就是對鏈表上各個UDP控制塊進行操作，再上述所示的結(jié)構(gòu)體中，next是一個UDP控制塊類型的指針，他就是用來構(gòu)成鏈表的。最后，需要注意的一點是，上述控制塊中的最后兩個字段的是用于用戶和協(xié)議棧內(nèi)核通信的紐帶，反應(yīng)再udp協(xié)議里，就是用來執(zhí)行用戶自定義的報文數(shù)據(jù)處理函數(shù)的。下面是三個控制塊構(gòu)成的一個鏈表的一個示意圖：

通過上述示意圖我們可有看到第一個控制塊和第二個控制塊中，包含了本地和遠程的IP地址和端口，所以他們處于連接狀態(tài)。第三個控制塊中，只包含了本地IP地址和端口，所以它處于未連接的狀態(tài)。UDP的的工作流程是什么呢？簡單來說就是如果當(dāng)前UDP控制塊收到一個目的端口為1234的數(shù)據(jù)報，那么內(nèi)核就會從鏈表的起始處開始遍歷整個鏈表，直到查出具有本地端口號1234的控制塊。當(dāng)找到控制塊之后，控制塊的recv字段指向的函數(shù)proc1會被調(diào)用以處理報文數(shù)據(jù)。

總結(jié)

上述就是關(guān)于LwIP中udp的一個解析，只是簡單地說明了UDP地一個基本原理，它所涉及地控制塊以及當(dāng)UDP接收到數(shù)據(jù)報地時候，又是一個怎樣地處理過程。當(dāng)然，除了這些，關(guān)于UDP還有很多地內(nèi)容，如何使用UDP發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都沒涉及到，關(guān)于LwIP內(nèi)核地內(nèi)容也還需要繼續(xù)仔細研讀。
責(zé)任編輯人：CC