基于LwIP的UDP服务器设计

我们已经实现了在FreeRTOS系统上的LwIP的移植工作，但只是简单的在系统平台上跑了起来。我们还希望能做更多的事情，这一节我们就在FreeRTOS系统上实现基于LwIP的UDP服务器。

1、UDP协议简述

  UDP协议全称是用户数据报协议，在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，处于传输层，是IP协议的上层协议。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

  UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。

  UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体如下：源端口号、目标端口号、数据报长度、校验值。其数据结构如下：

    UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方（可以是客户端或服务器端）将UDP数据包通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口号都代表动态端口。

  数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的，所以该域主要被用来计算可变长度的数据部分。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为65535字节。不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到8192字节。

  UDP协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此UDP协议可以检测是否出错。

2、带系统UDP服务器的设计

  关于UDP服务器，我们以前在裸机状态下，使用RAW/CallBack API函数实现过。在这里我们将基于操作系统来实现UDP服务器，在此我们需要使用netconn API函数实现。

2.1、netconn API

  在带操作系统的LwIP应用中，应用程序需要使用netconn API函数来实现相关的应用，接下来我们了解一下netconn API函数。

（1）、公用部分函数

  其中即可用于TCP也可用于UDP的公共netconn API函数如下：

序号	函数	描述
1	netconn_new（）	创建一个新连接
2	netconn_peer()	获取远程IP地址和端口
3	netconn_addr()	获取本地IP地址和端口
4	netconn_set_ipv6only()	设置netconn调用的IPv6状态
5	netconn_get_ipv6only()	获取netconn调用的IPv6状态
6	netconn_delete（）	删除现有连接
7	netconn_bind（）	绑定到本地端口/ ip的连接
8	netconn_connect（）	连接到远程端口/ ip的连接
9	netconn_recv（）	从netconn接收数据
10	netconn_gethostbyname_addrtype ()	执行DNS查询，只返回一个IP地址

（2）、用于TCP的函数

  对于TCP连接来说，还包括如下的netconn API函数：

序号	函数	描述
1	netconn_listen（）	将TCP连接设置为侦听模式
2	netconn_write（）	在连接的TCP netconn上发送数据
3	netconn_listen_with_backlog ()	将TCP netconn设置为侦听模式
4	netconn_accept（）	接受侦听TCP连接上的传入连接
5	netconn_recv_tcp_pbuf ()	从TCP netconn接收数据（以pbuf的形式）
6	netconn_write_partly ()	通过TCP netconn发送数据
7	netconn_close（）	关闭TCP netconn而不删除它
8	netconn_shutdown ()	关闭TCP netconn的一端或两端（不删除它）

（3）、用于UDP的函数

  对于UDP连接来说，还包括如下的netconn API函数：

序号	函数	描述
1	netconn_disconnect（）	断开与远程端口/ ip的连接
2	netconn_sendto（）	将数据发送到指定的远程端口/ ip（不适用于TCP）
3	netconn_send（）	将数据发送到当前连接的远程端口/ ip（不适用于TCP）
4	netconn_join_leave_group（）	基本的IGMP多播支持

2.2、UDP服务器的流程

  在RAW API实现UDP服务器时，我们使用回调函数，当接受到数据报文时，回调函数会被调用。在有操作系统的情况下，我们肯定是实现多线程，所以我们将UDP服务器设定为一个任务来执行。在这个任务中我们将按如下流程来实现UDP服务器。

  从上图中我们与无操作系统时的操作很类似。创建控制块、绑定端口等是一样的。但在内部接收和发送报文的方式却是有区别的。

  至于UDP服务器最终实现了哪些功能，需要我们根据实际需要在处理并返回信息阶段实施。功能可以很复杂也可以很简单，在这里我们就是实现一个简单的回环服务器。

3、带系统UDP服务器的实现

  我们已经明白了UDP服务器在使用netconn API的实现方式及流程。接下来我们就来实现它。我们通过两个函数来实现：一是初始化任务，即创建相应的任务；二是实现这个任务函数，也就是我们的UDP服务器。

  先实现任务的创建。这个函数很简单，因为在移植LwIP协议栈时，要求在sys_arch.c文件中实现一个名为sys_thread_new的任务创建函数，而我们已经实现了这个任务创建函数，所以我们直接调用它就好了。

/* UDP初始化配置 */
void UDP_Server_Initialization(void)
{
 sys_thread_new("udpserver_thread", UDPServerThread, NULL, DEFAULT_THREAD_STACKSIZE,UDPECHO_THREAD_PRIO );
}

  接下来，我们看看UDP服务器任务函数的实现，根据上一节我们给出的流程，实现如下：

/* 定义UDP服务器数据处理进程 */
static void UDPServerThread(void *arg)
{
 err_t err, recv_err;
 static struct netconn *conn;
 static struct netbuf *buf;
static ip_addr_t *addr;
static unsigned short port;
 
 LWIP_UNUSED_ARG(arg);
 
 conn = netconn_new(NETCONN_UDP);
 if (conn!= NULL)
 {
  err = netconn_bind(conn, IP_ADDR_ANY,UDP_ECHO_SERVER_PORT);
  if (err == ERR_OK)
  {
   while (1) 
   {
     recv_err = netconn_recv(conn, &buf);
   
     if (recv_err == ERR_OK) 
     {
      addr = netbuf_fromaddr(buf);
      port = netbuf_fromport(buf);
      netconn_connect(conn, addr, port);
      buf->addr.addr = 0;
      netconn_send(conn,buf);
      netbuf_delete(buf);
     }
   }
  }
  else
  {
   netconn_delete(conn);
  }
 }
}

  对于UDP连接来说，netconn_connect函数的调用只是简单的设置UDP控制块中的remote_ip和remote_port字段。其实在这里不使用该函数也是没问题的，因为buf中已经包含了相关的信息。

4、带系统UDP服务器总结

  我们实现了一个简单的UDP服务器应用，其实带有操作系统时只是在软件编写方面采用的形式不一样。从外界看来，依然是一个UDP服务器，与有无操作系统无关。所以我们的测试方法也是一样的，与我们预期的结果也是一样的。