基于RAW API的UDP服務(wù)器設(shè)計(jì)

前面我們已經(jīng)完成了LwIP協(xié)議棧基于邏輯的基本移植，在這一節(jié)我們將以RAW API來(lái)實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)器。

1 、 UDP****協(xié)議簡(jiǎn)述

UDP協(xié)議全稱是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它與TCP協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包，是一種無(wú)連接的協(xié)議。在OSI模型中，處于傳輸層，是IP協(xié)議的上層協(xié)議。UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點(diǎn)，也就是說(shuō)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后，是無(wú)法得知其是否安全完整到達(dá)的。

UDP協(xié)議的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量壓縮成數(shù)據(jù)包的形式。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)包就是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的傳輸單位。每一個(gè)數(shù)據(jù)包的前8個(gè)字節(jié)用來(lái)包含報(bào)頭信息，剩余字節(jié)則用來(lái)包含具體的傳輸數(shù)據(jù)。

UDP報(bào)頭由4個(gè)域組成，其中每個(gè)域各占用2個(gè)字節(jié)，具體如下：源端口號(hào)、目標(biāo)端口號(hào)、數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度、校驗(yàn)值。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

UDP協(xié)議使用端口號(hào)為不同的應(yīng)用保留其各自的數(shù)據(jù)傳輸通道。UDP和TCP協(xié)議正是采用這一機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)同一時(shí)刻內(nèi)多項(xiàng)應(yīng)用同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)發(fā)送一方（可以是客戶端或服務(wù)器端）將UDP數(shù)據(jù)包通過(guò)源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過(guò)目標(biāo)端口接收數(shù)據(jù)。有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只能使用預(yù)先為其預(yù)留或注冊(cè)的靜態(tài)端口；而另外一些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則可以使用未被注冊(cè)的動(dòng)態(tài)端口。因?yàn)閁DP報(bào)頭使用兩個(gè)字節(jié)存放端口號(hào)，所以端口號(hào)的有效范圍是從0到65535。一般來(lái)說(shuō)，大于49151的端口號(hào)都代表動(dòng)態(tài)端口。

數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度是指包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總字節(jié)數(shù)。因?yàn)閳?bào)頭的長(zhǎng)度是固定的，所以該域主要被用來(lái)計(jì)算可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)部分。數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度根據(jù)操作環(huán)境的不同而各異。從理論上說(shuō)，包含報(bào)頭在內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為65535字節(jié)。不過(guò)，一些實(shí)際應(yīng)用往往會(huì)限制數(shù)據(jù)報(bào)的大小，有時(shí)會(huì)降低到8192字節(jié)。

UDP協(xié)議使用報(bào)頭中的校驗(yàn)值來(lái)保證數(shù)據(jù)的安全。校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過(guò)特殊的算法計(jì)算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計(jì)算。如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符，由此UDP協(xié)議可以檢測(cè)是否出錯(cuò)。

2 、 UDP****服務(wù)器設(shè)計(jì)

前面我們簡(jiǎn)要的介紹了UDP協(xié)議及其數(shù)據(jù)報(bào)，接下來(lái)我們將考慮怎么實(shí)現(xiàn)基于UDP協(xié)議的服務(wù)器。

首先，我們來(lái)看一看與UDP相關(guān)的API函數(shù)，并對(duì)它們作一個(gè)初步的介紹，應(yīng)為我們需要使用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的應(yīng)用。函數(shù)及說(shuō)明如下：

了解了這些函數(shù)，我們現(xiàn)在考慮其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。對(duì)于UDP服務(wù)器端來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)潔。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先，生成一個(gè)新的UDP控制塊。

接著，綁定UDP控制塊到任意IP地址及制定端口。

最后，為UDP控制塊注冊(cè)數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù)，這里需要說(shuō)明一下，這就是RAW AIP的回調(diào)函數(shù)。根據(jù)你要實(shí)現(xiàn)的功能不同復(fù)雜程度完全不一樣。我們由于要實(shí)現(xiàn)一個(gè)回環(huán)服務(wù)器，所以相對(duì)簡(jiǎn)單。只需要將收到的信息，以我們想要的方式發(fā)送回客戶端就可以了。

為了很好的實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)器，還有一個(gè)問(wèn)題需要設(shè)計(jì)好，就是我們前面我們?cè)岬降亩丝?。我們都知道TCP/IP協(xié)議族包括有很多的協(xié)議，那通訊究竟是針對(duì)哪一個(gè)協(xié)議發(fā)生的呢？所謂兩臺(tái)機(jī)器間的通訊，實(shí)際上是主機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程間的通訊，端口號(hào)就是為了最終實(shí)現(xiàn)主機(jī)上應(yīng)用進(jìn)程的通訊。我們常見且會(huì)在后續(xù)使用到的協(xié)議端口如下：

為了使用方便我們將這些端口定義為宏，并存儲(chǔ)到一個(gè)專門的文件中。在這里我們本次實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)器也需要制定一個(gè)端口，其實(shí)支持UDP的端口都沒(méi)問(wèn)題，但為了方便描述我們制定其為回環(huán)顯示端口。

3 、 UDP****服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

我們了解了其實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程，其實(shí)并不復(fù)雜。事實(shí)上，回調(diào)函數(shù)的內(nèi)容才是我們真正需要考慮的東西。我們將其實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分：一是UDP服務(wù)器的初始化部分；二是UDP服務(wù)器功能部分，也就是回調(diào)函數(shù)所執(zhí)行的內(nèi)容。

首先實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)器的初始化部分。初始化部分定義一個(gè)新的UDP控制塊，并將其綁定到任意IP地址及指定端口。然后注冊(cè)數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù)。

1 /* UDP初始化配置 */
 2 void UDP_Server_Initialization(void)
 3 {
 4   static char * recv_arg="We recieved a UDP data
";
 5   struct udp_pcb *upcb;
 6  
 7   /* 生成一個(gè)新的UDP控制塊 */
 8   upcb = udp_new();
 9   
10   /* 綁定upcb塊到任意IP地址及指定端口*/
11   udp_bind(upcb, IP_ADDR_ANY, UDP_ECHO_SERVER_PORT);
12  
13   /* 為upcb指定數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù) */
14   udp_recv(upcb,UDPServerCallback,(void *)recv_arg);
15 }

關(guān)于為什么要將本地IP綁定到任意IP呢？這是因?yàn)閁DP服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包后，LwIP會(huì)先判斷其數(shù)據(jù)包的目的IP和端口是否和本地注冊(cè)的PCB控制塊綁定的本地的IP和本地端口號(hào)是否匹配。所以我們綁定PCB控制塊本地IP設(shè)為IP_ADDR_ANY時(shí)，只要收到的數(shù)據(jù)包的目的IP非廣播地址，端口號(hào)匹配，那么均認(rèn)為數(shù)據(jù)包的目的IP和端口是與本地注冊(cè)的PCB控制塊綁定的本地IP和端口號(hào)相匹配的。省去了自己構(gòu)造本地IP的過(guò)程。

初始化完畢后，注冊(cè)了數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù)。接下來(lái)需要實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的內(nèi)容。回調(diào)函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，這取決于自己的需求。在這里我們?cè)诮邮盏経DP客戶端數(shù)據(jù)包后，不對(duì)其作什么處理，因?yàn)檫@一數(shù)據(jù)本來(lái)無(wú)意義，我們對(duì)任何的客戶端請(qǐng)求給予固定的回復(fù)。

1 /* 定義UDP服務(wù)器數(shù)據(jù)處理回調(diào)函數(shù) */
 2 static void UDPServerCallback(void *arg,struct udp_pcb *upcb,struct pbuf *revBuf,const ip_addr_t *addr,u16_t port)
 3 {
 4   struct pbuf *sendBuf = NULL;
 5   const char* reply = "This is reply!
";
 6  
 7   pbuf_free(revBuf);
 8   
 9   sendBuf = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, strlen(reply)+1, PBUF_RAM);
10   if(!sendBuf)
11   {
12     return;
13   }
14  
15   memset(sendBuf->payload,0,sendBuf->len);
16   memcpy(sendBuf->payload, reply, strlen(reply));
17   udp_sendto(upcb, sendBuf, addr, port);
18   pbuf_free(sendBuf);
19 }

對(duì)于這個(gè)回調(diào)函數(shù)，它實(shí)際是賦給一個(gè)函數(shù)指針，所以雖然它的內(nèi)容和名稱可以隨意，但其格式是有要求的：void (*udp_recv_fn)(void *arg, struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,const ip_addr_t *addr, u16_t port)

4 、結(jié)論

至此，我們完成了簡(jiǎn)單的UDP服務(wù)器，在這里我們使用客戶端來(lái)測(cè)試一下這個(gè)UDP服務(wù)器，測(cè)試結(jié)果如下：

這里只測(cè)試了一個(gè)客戶端兩屆服務(wù)器的情況，其實(shí)連接多個(gè)客戶端的情況也是沒(méi)問(wèn)題的。如下：

佷顯然，如果我們希望實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的UDP服務(wù)器，我們只需要將我們想實(shí)現(xiàn)的功能做到回調(diào)函數(shù)中就可以了。