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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：
#define UDP_HLEN 8
UDP首部数据结构：
struct udp_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src); /* 源端口号 */
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest); /* 目的端口号 */
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t len); /* 总长度 */
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum); /* 校验和 */
} PACK_STRUCT_STRUCT;
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：
#if LWIP_NETIF_USE_HINTS
#define IP_PCB_NETIFHINT ;struct netif_hint netif_hints
#else /* LWIP_NETIF_USE_HINTS */
#define IP_PCB_NETIFHINT
#endif /* LWIP_NETIF_USE_HINTS */
/* This is the common part of all PCB types. It needs to be at the
beginning of a PCB type definition. It is located here so that
changes to this common part are made in one location instead of
having to change all PCB structs. */
#define IP_PCB \
/* 按网络字节顺序排列的IP地址 */ \
ip_addr_t local_ip; \
ip_addr_t remote_ip; \
/* 绑定的netif的索引 */ \
u8_t netif_idx; \
/* 套接口选项 */ \
u8_t so_options; \
/* 服务类型 */ \
u8_t tos; \
/* TTL */ \
u8_t ttl \
/* 链路层地址解析提示 */ \
IP_PCB_NETIFHINT
/** the UDP protocol control block */
struct udp_pcb {
IP_PCB; /* UDP控制块和IP协议相关的字段 */
struct udp_pcb *next; /* UDP控制块链表节点 */
u8_t flags; /* 控制块状态 */
u16_t local_port, remote_port; /* 本地端口号和远端端口号 */
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 支持组播相关 */
#if LWIP_IPV4
/* 组播数据包的出网络接口，通过IPv4地址(如果没有'any') */
ip4_addr_t mcast_ip4;
#endif /* LWIP_IPV4 */
/* 组播数据包的出网络接口，根据接口索引(如果非零) */
u8_t mcast_ifindex;
/* 发送数据时，组播报文的TTL值 */
u8_t mcast_ttl;
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
#if LWIP_UDPLITE /* 支持UDP LITE */
u16_t chksum_len_rx, chksum_len_tx; /* 接收、发送数据时需要进行校验的数据长度 */
#endif /* LWIP_UDPLITE */
/* 接收回调函数 */
udp_recv_fn recv;
/* 接收回调函数参数 */
void *recv_arg;
};
11.10 端口号相关
11.10.1 端口号范围
#define UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START 0xc000
#define UDP_LOCAL_PORT_RANGE_END 0xffff
#define UDP_ENSURE_LOCAL_PORT_RANGE(port) ((u16_t)(((port) & (u16_t)~UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START) + UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START))
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：
/* last local UDP port */
static u16_t udp_port = UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START;
随机初始化：
- 需要开启LWIP随机宏
LWIP_RAND。
/**
* Initialize this module.
*/
void
udp_init(void)
{
#ifdef LWIP_RAND
udp_port = UDP_ENSURE_LOCAL_PORT_RANGE(LWIP_RAND());
#endif /* 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。
/**
* Allocate a new local UDP port.
*
* @return a new (free) local UDP port number
*/
static u16_t
udp_new_port(void)
{
u16_t n = 0;
struct udp_pcb *pcb;
again:
if (udp_port++ == UDP_LOCAL_PORT_RANGE_END) { /* 累加获取 */
udp_port = UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START; /* 溢出复位 */
}
/* Check all PCBs. */
for (pcb = udp_pcbs; pcb != NULL; pcb = pcb->next) { /* 检查是否有重复 */
if (pcb->local_port == udp_port) { /* 重复 */
if (++n > (UDP_LOCAL_PORT_RANGE_END - UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START)) {
return 0; /* 如果所有端口号都重复了，返回申请失败 */
}
goto again; /* 重新申请 */
}
}
return udp_port; /* 申请成功 */
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Creates a new UDP pcb which can be used for UDP communication. The
* pcb is not active until it has either been bound to a local address
* or connected to a remote address.
* @see MEMP_NUM_UDP_PCB
*
* @return The UDP PCB which was created. NULL if the PCB data structure
* could not be allocated.
*
* @see udp_remove()
*/
struct udp_pcb *
udp_new(void)
{
struct udp_pcb *pcb;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(); /* 内核锁确认 */
pcb = (struct udp_pcb *)memp_malloc(MEMP_UDP_PCB); /* 申请UDP控制块资源 */
if (pcb != NULL) {
memset(pcb, 0, sizeof(struct udp_pcb));
pcb->ttl = UDP_TTL; /* UDP数据出口默认的TTL值 */
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 多播TX相关 */
udp_set_multicast_ttl(pcb, UDP_TTL);
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
}
return pcb;
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Removes and deallocates the pcb.
*
* @param pcb UDP PCB to be removed. The PCB is removed from the list of
* UDP PCB's and the data structure is freed from memory.
*
* @see udp_new()
*/
void
udp_remove(struct udp_pcb *pcb)
{
struct udp_pcb *pcb2;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(); /* 内核所内 */
LWIP_ERROR("udp_remove: invalid pcb", pcb != NULL, return);
mib2_udp_unbind(pcb);
/* 先从udp_pcbs链表中移除 */
if (udp_pcbs == pcb) {
/* 如果当前UDP控制块是udp_pcbs的链表头，则直接更新链表头即可移除 */
udp_pcbs = udp_pcbs->next;
} else { /* 需要遍历udp_pcbs，把当前UDP控制块移除 */
for (pcb2 = udp_pcbs; pcb2 != NULL; pcb2 = pcb2->next) {
if (pcb2->next != NULL && pcb2->next == pcb) {
pcb2->next = pcb->next;
break;
}
}
}
/* 释放内存资源 */
memp_free(MEMP_UDP_PCB, pcb);
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Bind an UDP PCB.
*
* @param pcb UDP PCB to be bound with a local address ipaddr and port.
* @param ipaddr local IP address to bind with. Use IP_ANY_TYPE to
* bind to all local interfaces.
* @param port local UDP port to bind with. Use 0 to automatically bind
* to a random port between UDP_LOCAL_PORT_RANGE_START and
* UDP_LOCAL_PORT_RANGE_END.
*
* ipaddr & port are expected to be in the same byte order as in the pcb.
*
* @return lwIP error code.
* - ERR_OK. Successful. No error occurred.
* - ERR_USE. The specified ipaddr and port are already bound to by
* another UDP PCB.
*
* @see udp_disconnect()
*/
err_t
udp_bind(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port)
{
struct udp_pcb *ipcb;
u8_t rebind;
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES
ip_addr_t zoned_ipaddr;
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES */
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
#if LWIP_IPV4
/* Don't propagate NULL pointer (IPv4 ANY) to subsequent functions */
if (ipaddr == NULL) {
ipaddr = IP4_ADDR_ANY; /* 如果传入绑定本地IP为NULL，则绑定为全0，表示任意本地IP */
}
#else /* LWIP_IPV4 */
LWIP_ERROR("udp_bind: invalid ipaddr", ipaddr != NULL, return ERR_ARG);
#endif /* LWIP_IPV4 */
LWIP_ERROR("udp_bind: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("udp_bind(ipaddr = "));
ip_addr_debug_print(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ipaddr);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, (", port = %"U16_F")\n", port));
rebind = 0;
/* 检查下当前UDP控制块是否已经插入到udp_pcbs链表中，如果插入了，后面绑定成功后就不需要重新插入了 */
for (ipcb = udp_pcbs; ipcb != NULL; ipcb = ipcb->next) {
if (pcb == ipcb) {
rebind = 1;
break;
}
}
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES /* IPV6暂时跳过 */
/* If the given IP address should have a zone but doesn't, assign one now.
* This is legacy support: scope-aware callers should always provide properly
* zoned source addresses. Do the zone selection before the address-in-use
* check below; as such we have to make a temporary copy of the address. */
if (IP_IS_V6(ipaddr) && ip6_addr_lacks_zone(ip_2_ip6(ipaddr), IP6_UNKNOWN)) {
ip_addr_copy(zoned_ipaddr, *ipaddr);
ip6_addr_select_zone(ip_2_ip6(&zoned_ipaddr), ip_2_ip6(&zoned_ipaddr));
ipaddr = &zoned_ipaddr;
}
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES */
/* 确定下本地端口号 */
if (port == 0) {
port = udp_new_port(); /* 如果没有指定端口号，则由内部生成一个临时端口号 */
if (port == 0) { /* 端口号资源不足，申请失败 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_bind: out of free UDP ports\n"));
return ERR_USE;
}
} else { /* 端口号申请成功 */
/* 检查下有没有其它UDP控制块绑定了相同端口号且IP报文能到达这个服务，这样的话可能会导致一个UDP包有多个应用程序去向。 */
for (ipcb = udp_pcbs; ipcb != NULL; ipcb = ipcb->next) {
if (pcb != ipcb) { /* 需要跳过当前UDP控制块 */
#if SO_REUSE /* 支持`SO_REUSEADDR`选项：立即启用端口号 */
if (!ip_get_option(pcb, SOF_REUSEADDR) ||
!ip_get_option(ipcb, SOF_REUSEADDR)) /* 两个其中一个没有设置SO_REUSEADDR选项功能，则不能重复使用能到达该IP下的相同端口号 */
#endif /* SO_REUSE */
{
if ((ipcb->local_port == port) && /* 端口号相同 */
(((IP_GET_TYPE(&ipcb->local_ip) == IP_GET_TYPE(ipaddr)) &&
(ip_addr_eq(&ipcb->local_ip, ipaddr) ||
ip_addr_isany(ipaddr) ||
ip_addr_isany(&ipcb->local_ip))) ||
(IP_GET_TYPE(&ipcb->local_ip) == IPADDR_TYPE_ANY) ||
(IP_GET_TYPE(ipaddr) == IPADDR_TYPE_ANY))) {
/* 端口号相同且（IP一致或有任意IP），则这个UDP报文到达应用程序就没有唯一性。错误 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG,
("udp_bind: local port %"U16_F" already bound by another pcb\n", port));
return ERR_USE;
}
}
}
}
}
/* 到此，相关数据检查完毕，符合要求 */
ip_addr_set_ipaddr(&pcb->local_ip, ipaddr); /* 绑定本地IP */
pcb->local_port = port; /* 绑定本地端口号 */
mib2_udp_bind(pcb);
/* UDP控制块还没有激活就需要激活：插入udp_pcbs链表 */
if (rebind == 0) {
pcb->next = udp_pcbs;
udp_pcbs = pcb;
}
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE, ("udp_bind: bound to "));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE, pcb->local_ip);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE, (", port %"U16_F")\n", pcb->local_port));
return ERR_OK; /* 绑定成功 */
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Bind an UDP PCB to a specific netif.
* After calling this function, all packets received via this PCB
* are guaranteed to have come in via the specified netif, and all
* outgoing packets will go out via the specified netif.
*
* @param pcb UDP PCB to be bound.
* @param netif netif to bind udp pcb to. Can be NULL.
*
* @see udp_disconnect()
*/
void
udp_bind_netif(struct udp_pcb *pcb, const struct netif *netif)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
if (netif != NULL) {
pcb->netif_idx = netif_get_index(netif); /*获取网卡索引绑定到UDP控制块 */
} else {
pcb->netif_idx = NETIF_NO_INDEX; /* 取消绑定 */
}
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Sets the remote end of the pcb. This function does not generate any
* network traffic, but only sets the remote address of the pcb.
*
* @param pcb UDP PCB to be connected with remote address ipaddr and port.
* @param ipaddr remote IP address to connect with.
* @param port remote UDP port to connect with.
*
* @return lwIP error code
*
* ipaddr & port are expected to be in the same byte order as in the pcb.
*
* The udp pcb is bound to a random local port if not already bound.
*
* @see udp_disconnect()
*/
err_t
udp_connect(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port)
{
struct udp_pcb *ipcb;
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(); /* 内核所内 */
LWIP_ERROR("udp_connect: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_connect: invalid ipaddr", ipaddr != NULL, return ERR_ARG);
/* 确保已经绑定了本地端口号 */
if (pcb->local_port == 0) { /* 本地端口号还没绑定，则需要先绑定 */
err_t err = udp_bind(pcb, &pcb->local_ip, pcb->local_port);
if (err != ERR_OK) {
return err;
}
}
/* 注册远端IP */
ip_addr_set_ipaddr(&pcb->remote_ip, ipaddr);
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES /* [lzm][test][可暂时跳过] */
/* If the given IP address should have a zone but doesn't, assign one now,
* using the bound address to make a more informed decision when possible. */
if (IP_IS_V6(&pcb->remote_ip) &&
ip6_addr_lacks_zone(ip_2_ip6(&pcb->remote_ip), IP6_UNKNOWN)) {
ip6_addr_select_zone(ip_2_ip6(&pcb->remote_ip), ip_2_ip6(&pcb->local_ip));
}
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_SCOPES */
/* 注册远端端口号 */
pcb->remote_port = port;
/* UDP控制块状态标记上已连接（本地已连接） */
pcb->flags |= UDP_FLAGS_CONNECTED;
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE, ("udp_connect: connected to "));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE,
pcb->remote_ip);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_STATE, (", port %"U16_F")\n", pcb->remote_port));
/* 检查下是否插入了udp_pcbs链表，如果没有插入，则需要插入处理 */
for (ipcb = udp_pcbs; ipcb != NULL; ipcb = ipcb->next) {
if (pcb == ipcb) {
return ERR_OK;
}
}
pcb->next = udp_pcbs;
udp_pcbs = pcb;
return ERR_OK;
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Remove the remote end of the pcb. This function does not generate
* any network traffic, but only removes the remote address of the pcb.
*
* @param pcb the udp pcb to disconnect.
*/
void
udp_disconnect(struct udp_pcb *pcb)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("udp_disconnect: invalid pcb", pcb != NULL, return);
/* 重置远端IP */
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6
if (IP_IS_ANY_TYPE_VAL(pcb->local_ip)) {
ip_addr_copy(pcb->remote_ip, *IP_ANY_TYPE);
} else {
#endif
ip_addr_set_any(IP_IS_V6_VAL(pcb->remote_ip), &pcb->remote_ip);
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6
}
#endif
/* 重置远端端口号 */
pcb->remote_port = 0;
/* 解绑本地网卡 */
pcb->netif_idx = NETIF_NO_INDEX;
/* 标记PCB为未连接 */
udp_clear_flags(pcb, UDP_FLAGS_CONNECTED);
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Set a receive callback for a UDP PCB.
* This callback will be called when receiving a datagram for the pcb.
*
* @param pcb the pcb for which to set the recv callback
* @param recv function pointer of the callback function
* @param recv_arg additional argument to pass to the callback function
*/
void
udp_recv(struct udp_pcb *pcb, udp_recv_fn recv, void *recv_arg)
{
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
LWIP_ERROR("udp_recv: invalid pcb", pcb != NULL, return);
/* remember recv() callback and user data */
pcb->recv = recv;
pcb->recv_arg = recv_arg;
}
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。
/** This function is called from netif.c when address is changed
*
* @param old_addr IP address of the netif before change
* @param new_addr IP address of the netif after change
*/
void udp_netif_ip_addr_changed(const ip_addr_t *old_addr, const ip_addr_t *new_addr)
{
struct udp_pcb *upcb;
if (!ip_addr_isany(old_addr) && !ip_addr_isany(new_addr)) { /* 新旧IP不一致才有意义 */
for (upcb = udp_pcbs; upcb != NULL; upcb = upcb->next) { /* 检索所有已激活的UDP控制块 */
if (ip_addr_eq(&upcb->local_ip, old_addr)) { /* 找到绑定需要更新IP的UDP控制块 */
ip_addr_copy(upcb->local_ip, *new_addr); /* 更新 */
}
}
}
}
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。
/** @ingroup udp_raw
* Same as @ref udp_sendto_if, but with source address */
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)
{
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP /* 需要计算校验和 */
return udp_sendto_if_src_chksum(pcb, p, dst_ip, dst_port, netif, 0, 0, src_ip); /* 校验和字段先填入0，后面会计算 */
}
/** Same as udp_sendto_if_src(), but with checksum */
err_t
udp_sendto_if_src_chksum(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *dst_ip,
u16_t dst_port, struct netif *netif, u8_t have_chksum,
u16_t chksum, const ip_addr_t *src_ip)
{
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP */
struct udp_hdr *udphdr; /* UDP首部 */
err_t err;
struct pbuf *q; /* 组装好的UDP报文，用于推到发送缓冲区 */
u8_t ip_proto; /* IP协议 */
u8_t ttl; /* TTL */
LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED(); /* 内核锁内 */
/* 校验必要参数 */
LWIP_ERROR("udp_sendto_if_src: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if_src: invalid pbuf", p != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if_src: invalid dst_ip", dst_ip != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if_src: invalid src_ip", src_ip != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if_src: invalid netif", netif != NULL, return ERR_ARG);
/* UDP控制块绑定的本地IP类型和需要组装的IP报文中的源IP地址和目的IP地址类型一致 */
if (!IP_ADDR_PCB_VERSION_MATCH(pcb, src_ip) ||
!IP_ADDR_PCB_VERSION_MATCH(pcb, dst_ip)) {
return ERR_VAL;
}
#if LWIP_IPV4 && IP_SOF_BROADCAST /* 支持发送广播数据 */
/* broadcast filter? */
if (!ip_get_option(pcb, SOF_BROADCAST) &&
#if LWIP_IPV6
IP_IS_V4(dst_ip) &&
#endif /* LWIP_IPV6 */
ip_addr_isbroadcast(dst_ip, netif)) {
/* 如果本次UDP报文的目的IP是广播地址，但是用户又没有设置SOF_BROADCAST选项，则不能广播 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
("udp_sendto_if: SOF_BROADCAST not enabled on pcb %p\n", (void *)pcb));
return ERR_VAL;
}
#endif /* LWIP_IPV4 && IP_SOF_BROADCAST */
/* 如果这个UDP控制块还没有绑定到本地端口，则将其绑定 */
if (pcb->local_port == 0) {
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("udp_send: not yet bound to a port, binding now\n"));
err = udp_bind(pcb, &pcb->local_ip, pcb->local_port); /* 绑定本地IP（包括任意IP）和本地端口号 */
if (err != ERR_OK) { /* 绑定失败就不能发送 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("udp_send: forced port bind failed\n"));
return err;
}
}
if ((u16_t)(p->tot_len + UDP_HLEN) < p->tot_len) {
return ERR_MEM; /* UDP报文溢出 */
}
/* pbuf扩展UDP首部 */
if (pbuf_add_header(p, UDP_HLEN)) {
/* 原pbuf长度不足，需要申请相关首部空间：UDP首部+IP报文 */
q = pbuf_alloc(PBUF_IP, UDP_HLEN, PBUF_RAM);
if (q == NULL) {
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("udp_send: could not allocate header\n"));
return ERR_MEM; /* 申请UDP报文空间失败 */
}
if (p->tot_len != 0) {
/* 把p拼接到q去 */
pbuf_chain(q, p);
}
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG,
("udp_send: added header pbuf %p before given pbuf %p\n", (void *)q, (void *)p));
} else { /* p这个pbuf可以扩展UDP首部空间 */
q = p;
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: added header in given pbuf %p\n", (void *)p));
}
LWIP_ASSERT("check that first pbuf can hold struct udp_hdr",
(q->len >= sizeof(struct udp_hdr)));
/* 至此，q就是需要发送的UDP报文pbuf */
/* 组装UDP报文 */
udphdr = (struct udp_hdr *)q->payload;
udphdr->src = lwip_htons(pcb->local_port); /* UDP报文源端口 */
udphdr->dest = lwip_htons(dst_port); /* UDP报文目的端口 */
/* UDP报文校验和字段，先初始化为0，表示不计算校验和 */
udphdr->chksum = 0x0000;
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 组播TX */
if (((pcb->flags & UDP_FLAGS_MULTICAST_LOOP) != 0) && ip_addr_ismulticast(dst_ip)) {
/* 如果当前这路UDP支持组播环回，且目的IP是个组播IP，则标记当前pbuf为要环回的UDP组播 */
q->flags |= PBUF_FLAG_MCASTLOOP;
}
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: sending datagram of length %"U16_F"\n", q->tot_len));
#if LWIP_UDPLITE /* 支持UDP LITE协议 */
if (pcb->flags & UDP_FLAGS_UDPLITE) { /* 当前这路UDP为UDP LITE协议 */
u16_t chklen, chklen_hdr;
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP LITE packet length %"U16_F"\n", q->tot_len));
/* 设置UDP首部总长度字段和伪首部UDP总长度字段为需要进行校验和的长度 */
chklen_hdr = chklen = pcb->chksum_len_tx;
if ((chklen < sizeof(struct udp_hdr)) || (chklen > q->tot_len)) { /* 需要进行校验和的数据量不能超出现有数据量 */
if (chklen != 0) {
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP LITE pcb->chksum_len is illegal: %"U16_F"\n", chklen));
}
/* 对于UDP LITE协议，校验和长度字段为0时，表示对整个UDP报文进行校验和计算（校验和字段除外）。
(See RFC 3828 chap. 3.1) */
chklen_hdr = 0; /* UDP LITE校验和长度字段 */
chklen = q->tot_len; /* UDP LITE需要进行校验和的UDP报文数据长度 */
}
udphdr->len = lwip_htons(chklen_hdr); /* UDP报文校验和长度字段值 */
#if CHECKSUM_GEN_UDP /* UDP支持校验和 */
IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_UDP) { /* 网卡需要检查UDP校验和 */
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY /* 拷贝时需要计算校验和 */
if (have_chksum) {
chklen = UDP_HLEN; /* UDP数据已经有校验和，则还需要再计算UDP首部的校验和 */
}
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY */
udphdr->chksum = ip_chksum_pseudo_partial(q, IP_PROTO_UDPLITE,
q->tot_len, chklen, src_ip, dst_ip); /* 计算校验和（含伪首部） */
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY
if (have_chksum) {
/* 如果是已经有校验和，则把UDP首部（函伪首部）的校验和和已有的UDP数据校验和进行校验和即可 */
u32_t acc;
acc = udphdr->chksum + (u16_t)~(chksum);
udphdr->chksum = FOLD_U32T(acc);
}
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY */
/* 校验和刚好为0时必须变成0xffff，因为在UDP协议中，校验和字段为0表示“没有校验和” */
if (udphdr->chksum == 0x0000) {
udphdr->chksum = 0xffff;
}
}
#endif /* CHECKSUM_GEN_UDP */
/* IP协议字段标记为UDPLITE协议 */
ip_proto = IP_PROTO_UDPLITE;
} else
#endif /* LWIP_UDPLITE */
{ /* UDP 协议 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP packet length %"U16_F"\n", q->tot_len));
udphdr->len = lwip_htons(q->tot_len);
#if CHECKSUM_GEN_UDP /* UDP支持校验和计算 */
IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(netif, NETIF_CHECKSUM_GEN_UDP) { /* 网卡需要检查UDP校验和 */
/* 校验和在IPv6中是必须的 */
if (IP_IS_V6(dst_ip) || (pcb->flags & UDP_FLAGS_NOCHKSUM) == 0) {
u16_t udpchksum;
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY
if (have_chksum) {
/* UDP数据已生成校验和，则只需要继续计算UDP首部的校验和即可 */
u32_t acc;
udpchksum = ip_chksum_pseudo_partial(q, IP_PROTO_UDP,
q->tot_len, UDP_HLEN, src_ip, dst_ip);
acc = udpchksum + (u16_t)~(chksum);
udpchksum = FOLD_U32T(acc);
} else
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY */
{ /* 不使用UDP数据区计算好的校验和，咱们UDP协议自己独立生成 */
udpchksum = ip_chksum_pseudo(q, IP_PROTO_UDP, q->tot_len,
src_ip, dst_ip); /* 计算UDP报文校验和 */
}
/* 校验和刚好为0时必须变成0xffff，因为在UDP协议中，校验和字段为0表示“没有校验和” */
if (udpchksum == 0x0000) {
udpchksum = 0xffff;
}
/* 设置UDP报文校验和 */
udphdr->chksum = udpchksum;
}
}
#endif /* CHECKSUM_GEN_UDP */
/* IP协议字段标记为UDP协议 */
ip_proto = IP_PROTO_UDP;
}
/* TTL相关 */
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 多播TX的TTL */
ttl = (ip_addr_ismulticast(dst_ip) ? udp_get_multicast_ttl(pcb) : pcb->ttl);
#else /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
ttl = pcb->ttl; /* UDP控制块中的默认TTL */
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: UDP checksum 0x%04"X16_F"\n", udphdr->chksum));
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_send: ip_output_if (,,,,0x%02"X16_F",)\n", (u16_t)ip_proto));
/* 把UDP报文涉及网卡用户数据配置到这个网卡中 */
NETIF_SET_HINTS(netif, &(pcb->netif_hints));
/* UDP报文转交给IP层 */
err = ip_output_if_src(q, src_ip, dst_ip, ttl, pcb->tos, ip_proto, netif);
NETIF_RESET_HINTS(netif);
/* @todo: must this be increased even if error occurred? */
MIB2_STATS_INC(mib2.udpoutdatagrams);
if (q != p) {
/* 释放在这里申请的pbuf */
pbuf_free(q);
q = NULL;
/* p is still referenced by the caller, and will live on */
}
UDP_STATS_INC(udp.xmit);
return err;
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Sends the pbuf p using UDP. The pbuf is not deallocated.
*
* @param pcb UDP PCB used to send the data.
* @param p chain of pbuf's to be sent.
*
* The datagram will be sent to the current remote_ip & remote_port
* stored in pcb. If the pcb is not bound to a port, it will
* automatically be bound to a random port.
*
* @return lwIP error code.
* - ERR_OK. Successful. No error occurred.
* - ERR_MEM. Out of memory.
* - ERR_RTE. Could not find route to destination address.
* - ERR_VAL. No PCB or PCB is dual-stack
* - More errors could be returned by lower protocol layers.
*
* @see udp_disconnect() udp_sendto()
*/
err_t
udp_send(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p)
{
LWIP_ERROR("udp_send: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_send: invalid pbuf", p != NULL, return ERR_ARG);
if (IP_IS_ANY_TYPE_VAL(pcb->remote_ip)) {
return ERR_VAL;
}
/* 使用这路UDP控制块中配置的远端IP和远端端口号 */
return udp_sendto(pcb, p, &pcb->remote_ip, pcb->remote_port);
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Send data to a specified address using UDP.
*
* @param pcb UDP PCB used to send the data.
* @param p chain of pbuf's to be sent.
* @param dst_ip Destination IP address.
* @param dst_port Destination UDP port.
*
* dst_ip & dst_port are expected to be in the same byte order as in the pcb.
*
* If the PCB already has a remote address association, it will
* be restored after the data is sent.
*
* @return lwIP error code (@see udp_send for possible error codes)
*
* @see udp_disconnect() udp_send()
*/
err_t
udp_sendto(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port)
{
struct netif *netif;
/* 参数校验 */
LWIP_ERROR("udp_sendto: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto: invalid pbuf", p != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto: invalid dst_ip", dst_ip != NULL, return ERR_ARG);
/* UDP控制块本地IP类型和目标IP类型要一致 */
if (!IP_ADDR_PCB_VERSION_MATCH(pcb, dst_ip)) {
return ERR_VAL;
}
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("udp_send\n"));
if (pcb->netif_idx != NETIF_NO_INDEX) {
/* 如果已经绑定了网卡，则直接使用该网卡发送UDP报文 */
netif = netif_get_by_index(pcb->netif_idx);
} else { /* 没有绑定网卡就需要匹配 */
#if LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS /* 多播TX功能 */
netif = NULL;
if (ip_addr_ismulticast(dst_ip)) {
/* 如果UDP报文的目的IP地址是多播地址，则使用多播网卡来发送 */
if (pcb->mcast_ifindex != NETIF_NO_INDEX) {
netif = netif_get_by_index(pcb->mcast_ifindex);
}
#if LWIP_IPV4
else
#if LWIP_IPV6
if (IP_IS_V4(dst_ip))
#endif /* LWIP_IPV6 */
{
/* 如果当前UDP指定的多播地址不是任意也不是广播，就需要通过路由去匹配 */
if (!ip4_addr_isany_val(pcb->mcast_ip4) &&
!ip4_addr_eq(&pcb->mcast_ip4, IP4_ADDR_BROADCAST)) {
/* 通过UDP本地IP和多播IP去匹配本地网卡 */
netif = ip4_route_src(ip_2_ip4(&pcb->local_ip), &pcb->mcast_ip4);
}
}
#endif /* LWIP_IPV4 */
}
if (netif == NULL) /* 还没有指定网卡 */
#endif /* LWIP_MULTICAST_TX_OPTIONS */
{
/* 通过UDP本地IP和目的IP去匹配网卡 */
netif = ip_route(&pcb->local_ip, dst_ip);
}
}
if (netif == NULL) {
/* 找不到适合发送的当前UDP报文的网卡，则丢弃 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("udp_send: No route to "));
ip_addr_debug_print(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, dst_ip);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("\n"));
UDP_STATS_INC(udp.rterr);
return ERR_RTE;
}
/* 通过以下API实现发送UDP报文 */
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP
return udp_sendto_if_chksum(pcb, p, dst_ip, dst_port, netif, have_chksum, chksum);
#else /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP */
return udp_sendto_if(pcb, p, dst_ip, dst_port, netif);
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP */
}
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。
/**
* @ingroup udp_raw
* Send data to a specified address using UDP.
* The netif used for sending can be specified.
*
* This function exists mainly for DHCP, to be able to send UDP packets
* on a netif that is still down.
*
* @param pcb UDP PCB used to send the data.
* @param p chain of pbuf's to be sent.
* @param dst_ip Destination IP address.
* @param dst_port Destination UDP port.
* @param netif the netif used for sending.
*
* dst_ip & dst_port are expected to be in the same byte order as in the pcb.
*
* @return lwIP error code (@see udp_send for possible error codes)
*
* @see udp_disconnect() udp_send()
*/
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)
{
const ip_addr_t *src_ip;
/* 参数校验 */
LWIP_ERROR("udp_sendto_if: invalid pcb", pcb != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if: invalid pbuf", p != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if: invalid dst_ip", dst_ip != NULL, return ERR_ARG);
LWIP_ERROR("udp_sendto_if: invalid netif", netif != NULL, return ERR_ARG);
if (!IP_ADDR_PCB_VERSION_MATCH(pcb, dst_ip)) {
return ERR_VAL;
}
/* PCB本地地址是IP_ANY_ADDR还是多播? */
#if LWIP_IPV6
if (IP_IS_V6(dst_ip)) {
if (ip6_addr_isany(ip_2_ip6(&pcb->local_ip)) ||
ip6_addr_ismulticast(ip_2_ip6(&pcb->local_ip))) {
src_ip = ip6_select_source_address(netif, ip_2_ip6(dst_ip));
if (src_ip == NULL) {
/* 没有找到合适的源地址 */
return ERR_RTE;
}
} else {
/* 使用UDP PCB本地IPv6地址作为源地址，如果仍然有效 */
if (netif_get_ip6_addr_match(netif, ip_2_ip6(&pcb->local_ip)) < 0) {
/* 地址无效 */
return ERR_RTE;
}
src_ip = &pcb->local_ip;
}
}
#endif /* LWIP_IPV6 */
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6
else
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6 */
#if LWIP_IPV4
if (ip4_addr_isany(ip_2_ip4(&pcb->local_ip)) ||
ip4_addr_ismulticast(ip_2_ip4(&pcb->local_ip))) {
/* 如果UDP控制块本地IP没有指定，或者指定的是多播地址，则使用指定的网卡的IP作为UDP本地IP即可 */
src_ip = netif_ip_addr4(netif);
} else { /* */
/* 检查UDP PCB本地IP地址是否正确，如果netif->ip_addr已更改，这可能是旧地址 */
if (!ip4_addr_cmp(ip_2_ip4(&(pcb->local_ip)), netif_ip4_addr(netif))) {
/* UDP本地IP和指定网卡的IP不匹配，不发送。 */
return ERR_RTE;
}
/* 确认使用的源IP */
src_ip = &pcb->local_ip;
}
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP
return udp_sendto_if_src_chksum(pcb, p, dst_ip, dst_port, netif, have_chksum, chksum, src_ip);
#else /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP */
return udp_sendto_if_src(pcb, p, dst_ip, dst_port, netif, src_ip);
#endif /* LWIP_CHECKSUM_ON_COPY && CHECKSUM_GEN_UDP */
}
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()
/**
* Process an incoming UDP datagram.
*
* Given an incoming UDP datagram (as a chain of pbufs) this function
* finds a corresponding UDP PCB and hands over the pbuf to the pcbs
* recv function. If no pcb is found or the datagram is incorrect, the
* pbuf is freed.
*
* @param p pbuf to be demultiplexed to a UDP PCB (p->payload pointing to the UDP header)
* @param inp network interface on which the datagram was received.
*
*/
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(); /* 确保在内核锁内 */
/* 参数校验 */
LWIP_ASSERT("udp_input: invalid pbuf", p != NULL);
LWIP_ASSERT("udp_input: invalid netif", inp != NULL);
PERF_START;
UDP_STATS_INC(udp.recv);
/* 检查最小长度(UDP首部) */
if (p->len < UDP_HLEN) {
/* drop short packets */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG,
("udp_input: short UDP datagram (%"U16_F" bytes) discarded\n", p->tot_len));
UDP_STATS_INC(udp.lenerr);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpinerrors);
pbuf_free(p);
goto end;
}
/* 提取UDP首部 */
udphdr = (struct udp_hdr *)p->payload;
/* 检查是否是广播包 */
broadcast = ip_addr_isbroadcast(ip_current_dest_addr(), ip_current_netif());
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp_input: received datagram of length %"U16_F"\n", p->tot_len));
src = lwip_ntohs(udphdr->src); /* UDP报文的源端口号 */
dest = lwip_ntohs(udphdr->dest); /* UDP报文的目的端口号 */
udp_debug_print(udphdr);
/* 打印相关信息 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("udp ("));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG, *ip_current_dest_addr());
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, (", %"U16_F") <-- (", lwip_ntohs(udphdr->dest)));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG, *ip_current_src_addr());
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, (", %"U16_F")\n", lwip_ntohs(udphdr->src)));
pcb = NULL;
prev = NULL;
uncon_pcb = NULL;
/* 遍历UDP PCB列表以找到匹配的PCB。
匹配pcb：连接到远程端口和ip地址优先。
如果没有找到完全匹配的，那么与本地端口和ip地址匹配的第一个未连接的pcb将获得数据报 */
for (pcb = udp_pcbs; pcb != NULL; pcb = pcb->next) {
/* 每次遍历都打印PCB本地和远端IP地址和端口号 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, ("pcb ("));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG, pcb->local_ip);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, (", %"U16_F") <-- (", pcb->local_port));
ip_addr_debug_print_val(UDP_DEBUG, pcb->remote_ip);
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG, (", %"U16_F")\n", pcb->remote_port));
/* 匹配UDP PCB 本地端口、IP和UDP报文目的端口和IP */
if ((pcb->local_port == dest) &&
(udp_input_local_match(pcb, inp, broadcast) != 0)) {
if ((pcb->flags & UDP_FLAGS_CONNECTED) == 0) {
if (uncon_pcb == NULL) {
/* 第一个未连接的匹配PCB */
uncon_pcb = pcb;
#if LWIP_IPV4
} else if (broadcast && ip4_current_dest_addr()->addr == IPADDR_BROADCAST) {
/* 全局广播地址(仅对IPv4有效;之前检查过匹配) */
if (!IP_IS_V4_VAL(uncon_pcb->local_ip) || !ip4_addr_cmp(ip_2_ip4(&uncon_pcb->local_ip), netif_ip4_addr(inp))) {
/* uncon_pcb 与收到数据netif不匹配，则需要重新检查此PCB */
if (IP_IS_V4_VAL(pcb->local_ip) && ip4_addr_cmp(ip_2_ip4(&pcb->local_ip), netif_ip4_addr(inp))) {
/* 更新uncon_pcb */
uncon_pcb = pcb;
}
}
#endif /* LWIP_IPV4 */
}
/* 支持SOF_REUSEADDR选项功能。
因为如果没有开启这个功能，那前面两个if的匹配逻辑就能找到唯一一个符合要求的uncon_pcb。
如果支持SOF_REUSEADDR功能，UDP PCB中就可能存在多个匹配成功未连接的PCB，这样选第一个即可（靠近链表尾，即是老的） */
#if SO_REUSE
else if (!ip_addr_isany(&pcb->local_ip)) {
/* 更加倾向于有指定本地IP未连接的PCB */
uncon_pcb = pcb;
}
#endif /* SO_REUSE */
}
/* 匹配UDP PCB 远端端口、IP和UDP报文源端口和IP */
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PCB */
if (prev != NULL) {
/* 将PCB移动到udp_pcbs的前面，以便下次更快地找到它 */
prev->next = pcb->next;
pcb->next = udp_pcbs;
udp_pcbs = pcb;
} else {
UDP_STATS_INC(udp.cachehit);
}
break;
}
}
prev = pcb; /* 遍历下一个UDP PCB */
}
/* 没有找到完全匹配的PCB，就使用未连接的匹配PCB */
if (pcb == NULL) {
pcb = uncon_pcb;
}
/* 最终检查当前UDP报文是不是给我们的 */
if (pcb != NULL) {
for_us = 1; /* UDP PCB匹配成功，是给我们的 */
} else { /* UDP PCB匹配不成功 */
#if LWIP_IPV6
if (ip_current_is_v6()) {
/* 检查下当前UDP报文的目的IP是不是给我们的 */
for_us = netif_get_ip6_addr_match(inp, ip6_current_dest_addr()) >= 0;
}
#endif /* LWIP_IPV6 */
#if LWIP_IPV4
if (!ip_current_is_v6()) {
/* 检查下当前UDP报文的目的IP是不是给我们的 */
for_us = ip4_addr_cmp(netif_ip4_addr(inp), ip4_current_dest_addr());
}
#endif /* LWIP_IPV4 */
}
if (for_us) { /* 当前UDP包是给我们的 */
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("udp_input: calculating checksum\n"));
/* 校验和校验 */
#if CHECKSUM_CHECK_UDP
IF__NETIF_CHECKSUM_ENABLED(inp, NETIF_CHECKSUM_CHECK_UDP) {
#if LWIP_UDPLITE
if (ip_current_header_proto() == IP_PROTO_UDPLITE) { /* UDP LITE协议：总长度字段就是需要进行校验和的数据长度 */
u16_t chklen = lwip_ntohs(udphdr->len);
if (chklen < sizeof(struct udp_hdr)) {
if (chklen == 0) {
/* 对于UDP-Lite，校验和长度为0表示对整个报文的校验和(参考RFC 3828章3.1) */
chklen = p->tot_len;
} else {
/* 至少UDP-Lite头必须被校验和覆盖!(再次参考RFC 3828第3.1章) */
goto chkerr;
}
}
/* 加上伪首部，一起进行校验和 */
if (ip_chksum_pseudo_partial(p, IP_PROTO_UDPLITE,
p->tot_len, chklen,
ip_current_src_addr(), ip_current_dest_addr()) != 0) {
goto chkerr;
}
} else
#endif /* LWIP_UDPLITE */
{ /* UDP协议 */
if (udphdr->chksum != 0) { /* 校验和字段不为0，则说明要进行校验和计算 */
/* 加上伪首部，一起进行校验和 */
if (ip_chksum_pseudo(p, IP_PROTO_UDP, p->tot_len,
ip_current_src_addr(),
ip_current_dest_addr()) != 0) {
goto chkerr;
}
}
}
}
#endif /* CHECKSUM_CHECK_UDP */
if (pbuf_remove_header(p, UDP_HLEN)) { /* pbuf指向UDP数据区，即是用户数据 */
/* Can we cope with this failing? Just assert for now */
LWIP_ASSERT("pbuf_remove_header failed\n", 0);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpinerrors);
pbuf_free(p);
goto end;
}
if (pcb != NULL) { /* 如果已成功匹配PCB */
MIB2_STATS_INC(mib2.udpindatagrams);
#if SO_REUSE && SO_REUSE_RXTOALL /* SOF_REUSEADDR选项功能 */
/* 如果设置了SOF_REUSEADDR选项功能，则说明可能存在多个匹配成功的PBC，都需要把当前UDP报文拷贝传递过去 */
if (ip_get_option(pcb, SOF_REUSEADDR) &&
(broadcast || ip_addr_ismulticast(ip_current_dest_addr()))) {
/* 如果SOF_REUSEADDR在第一次匹配时设置，则将广播或组播数据包传递给所有组播pcb */
struct udp_pcb *mpcb;
for (mpcb = udp_pcbs; mpcb != NULL; mpcb = mpcb->next) {
if (mpcb != pcb) { /* 跳过前面匹配成功的PCB（后面会处理） */
/* 比较PCB本地IP地址+端口号 和 UDP目的IP地址+端口号 */
if ((mpcb->local_port == dest) &&
(udp_input_local_match(mpcb, inp, broadcast) != 0)) {
/* 将一个包的副本传递给所有本地匹配 */
if (mpcb->recv != NULL) {
struct pbuf *q;
/* 拷贝UDP报文 */
q = pbuf_clone(PBUF_RAW, PBUF_POOL, p);
if (q != NULL) {
/* 回调到用户层 */
mpcb->recv(mpcb->recv_arg, mpcb, q, ip_current_src_addr(), src);
}
}
}
}
}
}
#endif /* SO_REUSE && SO_REUSE_RXTOALL */
if (pcb->recv != NULL) {
/* 把数据回调到对应UDP PCB的应用程序 */
pcb->recv(pcb->recv_arg, pcb, p, ip_current_src_addr(), src);
} else {
/* 没有recv功能注册，那就得释放pbuf! */
pbuf_free(p);
goto end;
}
} else {
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_TRACE, ("udp_input: not for us.\n"));
#if LWIP_ICMP || LWIP_ICMP6
/* 没有找到匹配项，发送ICMP目的端口不可达，除非目的地址是广播/组播 */
if (!broadcast && !ip_addr_ismulticast(ip_current_dest_addr())) {
/* 将pbuf数据区指针移回IP头 */
pbuf_header_force(p, (s16_t)(ip_current_header_tot_len() + UDP_HLEN));
icmp_port_unreach(ip_current_is_v6(), p);
}
#endif /* LWIP_ICMP || LWIP_ICMP6 */
UDP_STATS_INC(udp.proterr);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpnoports);
pbuf_free(p);
}
} else { /* 当前UDP报文不是给我们的，丢弃 */
pbuf_free(p);
}
end:
PERF_STOP("udp_input");
return;
#if CHECKSUM_CHECK_UDP
chkerr:
LWIP_DEBUGF(UDP_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS,
("udp_input: UDP (or UDP Lite) datagram discarded due to failing checksum\n"));
UDP_STATS_INC(udp.chkerr);
UDP_STATS_INC(udp.drop);
MIB2_STATS_INC(mib2.udpinerrors);
pbuf_free(p);
PERF_STOP("udp_input");
#endif /* CHECKSUM_CHECK_UDP */
}
11.14 UDP RAW接口编程
UDP层初始化接口：
void udp_init (void);
南向供IP层使用：
void udp_input (struct pbuf *p, struct netif *inp);
UDP RAW相关接口分析：北向，供用户使用
struct udp_pcb * udp_new (void);
struct udp_pcb * udp_new_ip_type(u8_t type);
void udp_remove (struct udp_pcb *pcb);
err_t udp_bind (struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr,
u16_t port);
void udp_bind_netif (struct udp_pcb *pcb, const struct netif* netif);
err_t udp_connect (struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr,
u16_t port);
void udp_disconnect (struct udp_pcb *pcb);
void udp_recv (struct udp_pcb *pcb, udp_recv_fn recv,
void *recv_arg);
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);
err_t udp_sendto (struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port);
err_t udp_send (struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p);