igmp是哪個層協定_教你動手寫UDP協定棧-協定棧格式<1>

前景

• 為啥要自己寫一個mini UDP的協定棧？因為我們幹偷偷摸摸的事情，哈哈哈！！！
• 其實是為了不跑一個龐大的LWIP協定棧，通過自己寫的mini udp協定棧截取資料包給裝置更新。這樣節省了很多資源。LWIP說大也不算大，但是看自己的需求，是否要使用LWIP協定棧了。
• 其實寫mini udp協定棧之前，需要先了解UDP協定的原理，資料包格式。如果你沒提前了解，給你代碼你也是看不懂，就像看天書一樣。要詳細的看UDP協定的每一包，每一Byte，每一Bit的含義，它是代表什麼意思，怎麼來的。
• 這篇文章不會長篇大論講解，因為網上和很多書上都有相對應的理論。大家可以買本書，或者在背景回複"TCP_UDP"擷取電子書。

UDP理論講解

UDP封包的傳遞

使用者使用UDP來傳輸資料是，UDP協定會在資料前加上首部組成UDP封包，并交給IP協定來發送，而IP層将封包封裝在IP資料包中并交給底層發送，在底層中，IP資料報會被封裝在資料的資料幀中，可看出一個使用者資料要通過UDP封包發送，需要經曆三次封裝過程，如下圖：

接下來我們我們一一講解每一層的格式：

UDP封包格式

UDP封包成為使用者資料報，使用者資料報的結構分為兩部分：UDP首部+UDP資料區，如下圖為UDP封包的結構。UDP首部很簡單，它由四個16位的字段組成，分别指使用者資料從哪個端口來，用到哪個端口去，總長度和校驗和。其中總長度值為：UDP首部+UDP資料區的長度。校驗和為：二進制反碼求和（此字段是可選項的）,該校驗和是僞首部+UDP頭部+資料區求得，下面會講解僞首部。

UDP僞首部

UDP校驗和的計算超出UDP封包本身，為了計算校驗和，UDP引入了僞首部的概念。僞首部的組成如下圖。僞首部完全是虛拟的，它并不會和使用者資料寶一起被發送出去，隻用于計算UDP資料包的校驗和，校驗和是僞首部+UDP頭部+資料區求得。

IP層結構

IP協定是TCP/IP協定族中最為核心的協定，他提供了不可靠，無連接配接的服務，也依賴其它層的協定進行差錯控制，所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP資料都被封裝在IP資料報中傳輸。IP頭部結構如下圖。

• 版本字段：占4bit，表明IP協定實作的版本号，即IPV4 or IPV6。
• 報頭長度：占4bit。是頭部占32比特的數字，包括可選項。普通IP資料報(沒有任何選項)，該字段的值是5，即160比特=20位元組。此字段最大值為60位元組。
• 服務類型字段：占8bit。其中前3比特為優先權子字段(Precedence，現已被忽略)。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延遲、吞吐量、可靠性和花費。當它們取值為1時分别代表要求最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。這4比特的服務類型中隻能置其中1比特為1。可以全為0，若全為0則表示一般服務。服務類型字段聲明了資料報被網絡系統傳輸時可以被怎樣處理。
• 總長度字段：占16bit。指明整個資料報的長度(以位元組為機關)。最大長度為65535位元組。IP頭部+UDP頭部+資料區長度。
• 标志字段：占16bit。用來唯一地辨別主機發送的每一份資料報。通常每發一份封包，它的值會加1。
• 标志位字段：占3bit。标志一份資料報是否要求分段。
• 段偏移字段：占13bit。如果一份資料報要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始資料報開始的位置。
• 生存期字段：占8bit。用來設定資料報最多可以經過的路由器數。由發送資料的源主機設定，通常為32、64、128等。每經過一個路由器，其值減1，直到0時該資料報被丢棄。
• 協定字段：占8bit。指明IP層所封裝的上層協定類型，如ICMP(1)、IGMP(2) 、TCP(6)、UDP(17)等。
• 頭部校驗和字段：占16bit。二進制反碼求和，根據IP頭部計算得到的校驗和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對頭部後的資料進行校驗)。
• 源IP位址、目标IP位址字段：各占32bit。标明發送IP資料封包的源主機位址和接收IP封包的目标主機位址。

幀頭部

幀頭部又可以了解為MAC層頭部，它由三個字段組成，幀頭部結構如下圖。

• 目的mac位址、源mac位址字段：占6Byte，标明發送幀資料的源主機mac位址和接收幀資料目标主機mac位址。
• 協定類型字段：上一層協定類型，如0x0800代表上一層是IP協定，0x0806為arp

手寫UDP協定棧

概述

• 其實UDP協定棧，通俗的講就是接收UDP資料包時->解析擷取資料，發送UDP包時->組裝資料包發送。解析包群組裝包的方向是相反的。這就是棧的原理了。先進後出(FILO)。
• TCP、UDP通信的位元組集合要求是大端，而計算機的處理可能是小端導緻，是以根據實際請款做相應的大小端處理。
• 資料塊中采用非對齊方式
• 我們根據上面所述的資料包各個頭部的結構進行定義，該定義參考了LWIP的定義方式。

UDP頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_udp_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t src_port);  //src port
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t dest_port); //dest port
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);       //packet length
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t chksum);    //check sum
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define UDP_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_udp_header)
           

IP頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct ip_addr {
  PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t addr[4]);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_ip_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t vhl);             //version(front 4bit) header len(back 4bit) 
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t tos);             //type of service(8bit)
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);            //total length of packet
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t id);             //packet ID
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t offset);         //offset
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t ttl);             //time to live
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t top);             //type of protocol
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t chksum);         //check sum
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr src_ip);   //src ip
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr dest_ip);  //dest ip
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define IP_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_ip_header)
           

幀頭部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mac_addr {
  PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t addr[6]);
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_mac_header {
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mac_addr dest_mac);    //dest mac address
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mac_addr src_mac);     //src mac address
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t type);               //The previous layer of protocol types
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
#define MAC_HDR_SIZE    sizeof(struct mini_mac_header)
           

僞首部結構體定義

PACK_STRUCT_BEGIN
struct mini_udp_pseudo_info {
    /* pseudo head */
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr src_ip);
    PACK_STRUCT_FIELD(struct ip_addr dest_ip);
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t protocal);
    PACK_STRUCT_FIELD(uint16_t len);
    /* udp head */
    PACK_STRUCT_FIELD(struct mini_udp_header udp_hdr);
    /* user data */
    PACK_STRUCT_FIELD(uint8_t data[0]);
}PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

#define member_offset(type, member) ((unsigned long)(&((type *)0)->member))
#define PSEUDO_HDR_SIZE member_offset(struct mini_udp_pseudo_info, udp_hdr)
           

接收UDP資料函數

根據上述的結構體，我們就可以将資料包解析出來，提取資料。接收的資料包要求：隻擷取UDP包，版本為IPV4，使用者資料報。下面的函數功能是接收符合資料包要求的資料，并dump出來。然後傳回一針資料。

int mini_udp_input(const void *packet, uint32_t packet_len)
{
    struct mini_mac_header *mac_hdr = NULL;
    struct mini_ip_header *ip_hdr = NULL;
    struct mini_udp_header *udp_hdr = NULL;

    mac_hdr = (struct mini_mac_header *)(packet);
    if(mac_hdr->type != htons(ETHTYPE_IP))  //判斷類型
    {
        return -1;
    }

    ip_hdr = (struct mini_ip_header *)((uint8_t *)mac_hdr + MAC_HDR_SIZE);
    if(IPH_V_GET(ip_hdr) != 4)  //判斷版本是否為IPV4
    {
        return -1;
    }        

    if(IPPROTO_UDP != IPH_PROTO_GET(ip_hdr))    //判斷是否為資料報
    {
        return -1;
    }

    udp_hdr = (struct mini_udp_header *)((uint8_t *)ip_hdr + IP_HDR_SIZE);
    
    switch(ntohs(udp_hdr->src_port))
    {
        case DHCP_SERVER_PORT:  //讀取DHCP包，擷取本地IP
        {     
            memcpy(&udp_info.local_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(struct ip_addr));
            break;
        }
        case NTP_SERVER_PORT:   //接收指定端口号的廣播包，并dump出來。
        {
            hex_dump(packet, packet_len);
            mini_udp_output(mac_hdr, ip_hdr, "Rice is best", sizeof("Rice is best"));   //接收成功，傳回資料"Rice is best"
            break;
        }
        default:
        {
            return -1;
        }
    }
    return 0; 
}
           

發送UDP資料函數

同樣根據上述的結構體進行封裝。這裡我的操作是接收到那個IP位址的資料，我就把資料發送到相應的IP位址上去。

int mini_udp_output(struct mini_mac_header *recv_mac_hdr,
                    struct mini_ip_header *recv_ip_hdr,
                    void *packet,
                    uint32_t packet_len)
{
    uint8_t buffer[1500];
    struct mini_mac_header *mac_hdr = (struct mini_mac_header *)buffer;
    struct mini_ip_header *ip_hdr   = (struct mini_ip_header *)((uint8_t *)mac_hdr + MAC_HDR_SIZE);
    struct mini_udp_header *udp_hdr = (struct mini_udp_header *)((uint8_t *)ip_hdr + IP_HDR_SIZE);

    struct mini_udp_pseudo_info *udp_pseudo_info = malloc(sizeof(struct mini_udp_pseudo_info) + packet_len);

    /* 封裝mac層 */
    memcpy(&mac_hdr->dest_mac, &recv_mac_hdr->src_mac, sizeof(struct mac_addr));
    memcpy(&mac_hdr->src_mac, local_mac, sizeof(struct mac_addr));
    mac_hdr->type = htons(ETHTYPE_IP);

    /* 封裝IP層 */
    IPH_VHL_SET(ip_hdr, 4, 20/4);
    IPH_TOS_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_LEN_SET(ip_hdr, htons(IP_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len));
    IPH_ID_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_OFFSET_SET(ip_hdr, 0);
    IPH_TTL_SET(ip_hdr, 128);
    IPH_PROTO_SET(ip_hdr, IPPROTO_UDP);
    IPH_CHKSUM_SET(ip_hdr, 0);
    memcpy(&ip_hdr->src_ip, &udp_info.local_ip, sizeof(struct ip_addr));
    memcpy(&ip_hdr->dest_ip, &recv_ip_hdr->src_ip, sizeof(struct ip_addr));
    IPH_CHKSUM_SET(ip_hdr, mini_udp_inet_chksum(ip_hdr, 20));

    /* 封裝UDP層 */
    udp_hdr->src_port = htons(NTP_CLIENT_PORT);
    udp_hdr->dest_port = htons(NTP_SERVER_PORT);
    udp_hdr->chksum = 0;
    udp_hdr->len = htons(UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    /* 計算校驗和 */
    memcpy(&udp_pseudo_info->src_ip, &ip_hdr->src_ip, sizeof(sizeof(struct ip_addr)));
    memcpy(&udp_pseudo_info->dest_ip, &ip_hdr->dest_ip, sizeof(sizeof(struct ip_addr)));
    udp_pseudo_info->protocal = htons(IPPROTO_UDP);
    udp_pseudo_info->len = udp_hdr->len;
    memcpy(&udp_pseudo_info->udp_hdr, udp_hdr, UDP_HDR_SIZE);
    memcpy(udp_pseudo_info->data, packet, packet_len);

    udp_hdr->chksum = mini_udp_inet_chksum(udp_pseudo_info, PSEUDO_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    /* 封裝使用者資料 */
    memcpy((uint8_t *)udp_hdr + UDP_HDR_SIZE, packet, packet_len);

    wifi_send(0, buffer, MAC_HDR_SIZE + IP_HDR_SIZE + UDP_HDR_SIZE + packet_len);

    free(udp_pseudo_info);
    udp_pseudo_info = NULL;

    return 0;   
}
           

測試

PC上發送廣播包

我使用Wireshark工具進行抓包，左邊為Wireshark上位機，右上角為我的wifi dump出來的資料，右下角是網絡調試助手，用于發送和接收資料。

• PC發送一個UDP廣播包，使用者資料為"Rice is good"，wifi接收到資料dump出接收到的資料，與Wireshark抓包工具的資料一緻。

• wifi接收到資料後，傳回使用者資料為"Rice is best"，通過Wireshark抓包工具和網絡調試助手可以看到，資料正确

• 在網絡調試助手中，指定IP進行收發資料，驗證結果一樣正常。

本文首發微信公衆号『Rice嵌入式開發技術分享』。