UDP报文格式和数据结构体系

之前在做一个关于数据传输的时候，使用到了WiFi传输数据，而在传输数据时使用到的协议就是LwIP协议栈中的udp协议。现在来回顾总结一下。要叙述LwIP协议栈，那自然得明白LwIP协议栈具体是个啥。总的来说，LwIP是TCP/IP协议中一种独立、简单的实现，其设计目的在于保证嵌入式产品拥有完整TCP/IP功能的同时，又能够保证协议栈对处理器资源的有效消耗，其运行一般仅需要几十KB的RAM和40KB左右的ROM。

LwIP的分层机制

在叙述udp协议概念之前，先对LwIP协议的框架有一个简单的了解，LwIP在实现的时候，参考了TCP/IP协议的分层思想，每一层都在一个单独的模块中实现，并为其他层次模块提供一些输入/输出接口函数。下面是分层结构示意图：

如同前面所说，LwIP协议只是参考了TCP/IP的分层结构，但是它并没有严格地遵循上述所示地分层机制，其为了节省时间和空间上地消耗，各个层次之间存在着交叉存取地现象。

我们通过上述地框图可以知道UDP属于传输层协议。要明白为什么有传输层协议，我们需要明白在传输层的下一层，也就是网络互连层，有IP协议，IP协议是用于数据报在各个主机中传递的，但是我们在实际的应用过程中，我们所需要的是数据报在各个应用之间传递，说白了也就是在进程与进程之间通信，而传输层的存在就是为了实现数据报在进程与进程之间通信的。

而要完成进程到进程之间的通信，传输层需要完成几个重要的任务：

第一：为两个通信的进程提供连接机制，也就是说传输层在接收了IP层传输过来的数据之后，应该将这个数据传到哪一个应用程序中。在这里是通过端口号来完成的。

第二：传输层需要提供数据传送服务。在数据发送端，传输层将数据进行组装、编号，将数据分割成可运输的单元，然后依次递交给IP层发送出去。而接收端的传输层需要等属于同一应用程序的数据都到达之后，对他们进行差错校验、最后将整个数据交付给应用程序。

第三：为了提供更为可靠的传输服务，传输层还应该提供流量控制机制。

UDP协议

在简单地叙述了关于LwIP的框架之后，接下来详细阐述UDP地相关概念。UDP称之为用户数据报协议，是一种无连接地、不可靠地传输协议，它只在低级程度上实现了上述地传输层功能，为什么说只在低级程度上实现了上述功能呢？因为它只是简单地完成数据从一个进程到另一个进程地交付，它没有提供任何流量控制机制，收到地报文也没有确认，差错控制上，只提供了检验和计算，当校验和计算不成功时，它将丢弃掉这个报文。

当用户的进程使用UDP来传送数据的时候，会经历三个过程

（1）UDP协议会在数据前加上首部组成UDP报文，并交给IP协议来发送

（2）IP层将报文封装在IP数据报中并交给底层发送

（3）底层，IP数据报被封装在物理数据帧中

在UDP的接收端，物理网络先接收到数据帧，然后逐层将数据递交给上层协议，每一层都在向上一层去除掉一个首部。

UDP报文格式

UDP报文成为用户数据报，从结构上可以分为两部分：UDP首部和UDP数据区，下面是报文结构示意图：

UDP校验和的计算超过了UDP报文本身，为了计算校验和，UDP引入了伪首部的概念，加入了伪首部之后的UDP报文格式如下图所示：

这里需要指出的一点是，伪首部完全是虚拟的，它并不会和用户数据报一起被发送出去，只是在校验和的计算过程中会被使用到，伪首部主要来自于运载UDP报文的IP数据报首部，将源IP地址和目的IP地址加入到校验和的计算中可以验证用户数据报是否已经到达正确的终点。

UDP数据结构体解析

报文首部结构

先来看下UDP数据报首部，代码如下：

这个结构体很简洁，使用结构体封装宏定义的每个字段，还应该注意的是四个字段保存的值应该与网络字段保持一致。

udp控制块

控制块是整个UDP中最为核心的东西，用户使用UDP进行编程，以及对于UDP报文的处理，本质上都是对UDP控制块进行操作。一个UDP的控制块包含UDP连接时需要的所有信息，主要包括：

端口号

目的端口号

源IP地址

目的IP地址

总体来说，系统会为每一个连接分配一个UDP控制块，然后将他们组织在一个全局的链表上，当UDP收到IP层递交的报文的时候，就会去遍历这个链表，找出与报文中首部信息匹配的控制块，并调用控制块中注册的函数最终完成报文的处理。

在定义UDP控制块的时候，会使用到IP的控制块

如上述所示，IP控制块的定义是通过一个宏来实现的，它包含了本地IP地址、远端IP地址、socket选项、服务类型、生存时间这几个字段。有了UP控制块之后，我们再来看UDP控制块，下面是UDP控制块的代码：

UDP协议实现的本质就是对链表上各个UDP控制块进行操作，再上述所示的结构体中，next是一个UDP控制块类型的指针，他就是用来构成链表的。最后，需要注意的一点是，上述控制块中的最后两个字段的是用于用户和协议栈内核通信的纽带，反应再udp协议里，就是用来执行用户自定义的报文数据处理函数的。下面是三个控制块构成的一个链表的一个示意图：

通过上述示意图我们可有看到第一个控制块和第二个控制块中，包含了本地和远程的IP地址和端口，所以他们处于连接状态。第三个控制块中，只包含了本地IP地址和端口，所以它处于未连接的状态。UDP的的工作流程是什么呢？简单来说就是如果当前UDP控制块收到一个目的端口为1234的数据报，那么内核就会从链表的起始处开始遍历整个链表，直到查出具有本地端口号1234的控制块。当找到控制块之后，控制块的recv字段指向的函数proc1会被调用以处理报文数据。

总结

上述就是关于LwIP中udp的一个解析，只是简单地说明了UDP地一个基本原理，它所涉及地控制块以及当UDP接收到数据报地时候，又是一个怎样地处理过程。当然，除了这些，关于UDP还有很多地内容，如何使用UDP发送数据和接收数据都没涉及到，关于LwIP内核地内容也还需要继续仔细研读。
责任编辑人：CC