1. UDP說明

1.1 協議簡介

UDP(User Datagram Protocol)：用戶資料報協議，是一種簡單、無連接、不可靠的傳輸協議，

無需建立連接、沒有提供任何流量控制、擁塞控制機制，收到的報文也沒有確認，因此UDP的傳輸速度快，但不能保證資料到達目的地，

與我們熟知的TCP協議一樣，都屬于OSI模型中的傳輸層協議，

1.2 UDP特點

無連接性
UDP可以提供無連接的資料傳輸服務，無需在通訊前建立連接，也無需在通訊結束后斷開連接，節省了維護連接的開銷，
不可靠性
受自身協議的限制，UDP的傳輸是一種不靠傳輸方式，無法保證資料一定能完整有效的傳輸到目標，
以報文為邊界
因為沒有TCP協議的資料編號和接收確認機制，UDP對于應用層交付的資料直接進行封裝傳輸，不會對報文進行拆分合并，在多包資料傳輸時可能出現亂序的現象，
無流量和擁塞控制功能
UDP協議沒有流量控制和擁塞控制的機制，因此更適用于對資料連續性比完整性要求更高、對輕微的資料差錯不敏感的場景，如語音、視頻通話等，
支持廣播、組播
不同于TCP協議只能實作一對一的單播通訊，UDP協議支持單播、廣播、組播通訊，實作一對一、一對多、多對多的資料傳輸，因此所有以廣播、組播方式通信的協議都是在UDP協議上實作的，如我們常見的DHCP、SNMP協議，

1.3 報文格式

本篇文章重點是UDP在LwIP中的實作，報文格式就不再展開介紹了，但還是可以直觀地看出UDP首部只有8位元組的長度(偽首部只參與校驗和的計算，不實際發送)，貫徹了UDP的簡潔易用的特點，

2. UDP在LWIP上的實作

2.1. 資料結構

2.1.1 UDP控制塊

struct udp_pcb {
  IP_PCB; //通用IP控制塊

  struct udp_pcb *next; //下一節點的指標，用于構成控制塊鏈表

  u8_t flags; //控制塊狀態

  u16_t local_port, remote_port;  //本地埠號、遠程埠號

  udp_recv_fn recv; //處理網路接收資料的回呼

  void *recv_arg;   //用戶自定義引數，接識訓呼入參
};

同時，lwip在udp.c中創建了全域的udp控制塊指標，作為管理所有UDP控制塊的鏈表頭，

struct udp_pcb *udp_pcbs;

2.1.2 UDP首部

PACK_STRUCT_BEGIN
struct udp_hdr {
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t src);   //源埠
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t dest);  //目的埠
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t len);   //此次發送的資料報的長度
  PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);//校驗和
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

報文格式中提到了UDP偽首部，但資料結構中沒有出現，那計算偽首部的功能是在哪里實作的呢？

找到計算UDP首部中的校驗和計算函式：

/**
 * 計算首部校驗和
 * @param p 待計算資料的pbuf指標
 * @param proto 協議型別
 * @param proto_len ip資料部分的長度
 * @param src 源ip地址  (這里的IP是網路位元組序)
 * @param dst 目標ip地址
 * @return 創建的UDP控制塊結構體指標，創建失敗回傳NULL
 */
u16_t ip_chksum_pseudo(struct pbuf *p, u8_t proto, u16_t proto_len,const ip_addr_t *src, const ip_addr_t *dest)

例如在udp_sendto_if_src()中，資料發送之前需要計算出首部校驗和，可以看到源IP、目的IP等引數是現算現傳的，沒有再使用額外的資料結構來維護偽首部，

if (IP_IS_V6(dst_ip) || (pcb->flags & UDP_FLAGS_NOCHKSUM) == 0) {
  u16_t udpchksum = ip_chksum_pseudo(q, IP_PROTO_UDP, q->tot_len,src_ip, dst_ip);

  /*0表示“無校驗和，因此計算為0時需要改為0xffff*/
  if (udpchksum == 0x0000) {
    udpchksum = 0xffff;
  }
  udphdr->chksum = udpchksum;
}

2.2 介面函式

2.2.1. 創建/洗掉UDP控制塊

/**
 * 創建UDP控制塊
 * @return 創建的UDP控制塊結構體指標，創建失敗回傳NULL
 */
struct udp_pcb* udp_new(void);

udp_new()為創建的UDP控制塊申請記憶體空間、初始化控制塊，回傳創建的控制塊指標供后續操作，

/**
 * 創建UDP控制塊
 * @param type 控制塊的IP型別
 * @return 創建的UDP控制塊結構體指標
 */
struct udp_pcb * udp_new_ip_type(u8_t type);

與udp_new()相似，都是創建UDP控制塊，區別是udp_new_ip_type()可以指定創建的UDP控制塊為IPV4 / IPV6 / IPV4+IPV6型別,而udp_new()默認創建IPV4的UDP控制塊，

以上兩個函式都很簡單，就不把函式體展開討論了，這里需要注意的是兩個創建函式都只創建了控制塊的記憶體空間，進行了簡單的初始化，并未將控制塊掛載到udp_pcbs鏈表中.

/**
 * 洗掉UDP控制塊
 * @param pcb UDP控制塊指標
 */
void udp_remove(struct udp_pcb *pcb);
{
  struct udp_pcb *pcb2;

  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  LWIP_ERROR("udp_remove: invalid pcb", pcb != NULL, return);

  mib2_udp_unbind(pcb);
  /* 判斷待洗掉的控制塊在鏈表開頭 */
  if (udp_pcbs == pcb) {
    /* 從將第二個控制塊作為鏈表頭 */
    udp_pcbs = udp_pcbs->next;
    
  } else {
      /* 遍歷udp 控制塊鏈表 */
    for (pcb2 = udp_pcbs; pcb2 != NULL; pcb2 = pcb2->next) {
      /* 在鏈表中找到了該控制塊 */
      if (pcb2->next != NULL && pcb2->next == pcb) {
        /* 將該控制塊在鏈表中洗掉 */
        pcb2->next = pcb->next;
        break;
      }
    }
  }
  /* 釋放該控制塊的記憶體空間 */
  memp_free(MEMP_UDP_PCB, pcb);
}

洗掉UDP控制塊，并將該控制塊從UDP控制塊鏈表中洗掉，最后釋放控制塊的記憶體空間，

通過udp_remove()以及后面的udp_connect()可以看到lwip對udp控制塊鏈表的管理方式：單向鏈表，每次添加新節點插到鏈表開頭，尾節點的next為NULL，簡單方便，但個人認為控制塊鏈表頭作為全域變數存放，使用時也沒有加鎖或者關中斷保護，在一些搶占式的作業系統中，是存在臨界區問題的，應用開發時應避免頻繁的對控制塊鏈表有操作，

2.2.2. 系結

/**
 * 將UDP控制塊系結到一個本地IP和埠號上
 * @param pcb UDP控制塊指標
 * @param ipaddr 要系結的本地IP
 * @param port 要系結的本地埠號，輸入0時會系結一個隨機埠
 * @return 錯誤碼
 */
err_t udp_bind(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port);

udp_bind()除了將控制塊與指定的IP和埠號系結，還會檢查UDP控制塊是否掛載到了上文提到的全域UDP控制塊鏈表中、待系結的IP-埠號是否與鏈表中的其他控制塊重復，未掛載、未重復的話會執行掛載：

{
  /* code... */

  rebind = 0;
  /* 遍歷udp控制塊鏈表 */
  for (ipcb = udp_pcbs; ipcb != NULL; ipcb = ipcb->next) {
    /* 如果當前控制塊已在控制塊鏈表中 */
    if (pcb == ipcb) {
     /* 已掛載標志位置位 */
      rebind = 1;
      break;
    }
  }

  /* code... */

  /* 未掛載? */
  if (rebind == 0) {
    /* 將當前控制塊插入到鏈表頭 */
    pcb->next = udp_pcbs;
    udp_pcbs = pcb;
  }
  /* code... */
}

系結本地埠不是UDP通訊的必要步驟，因為如果沒有系結本地埠，呼叫sendto()時會分配一個隨機埠，
該介面一般是設備作UDPS時使用，在此場景下，存在UDPC先向UDPS發送資料的情況，因此需要預先知道UDPS的埠號，即UDPS需要系結某個埠而不能是隨機埠，

2.2.3. 連接/斷連

/**
 * 將UDP與指定IP、埠“建立連接”
 * @param pcb UDP控制塊指標
 * @param ipaddr 要連接的目的IP
 * @param port 要連接的目的埠
 * @return 錯誤碼
 */
err_t udp_connect(struct udp_pcb *pcb, const ip_addr_t *ipaddr, u16_t port);

UDP是無連接的，因此udp_connect()并不會真的像TCP的connect()一樣去執行建立連接的網路互動，而只是在內部把目標IP和埠號與UDP控制塊系結，
ip和埠號系結成功后，函式內部會將該PCB的flag置位為已連接：

 pcb->flags |= UDP_FLAGS_CONNECTED;

udp_connect()會檢查控制塊是否系結了本地ip埠，如果未系結，會執行一次udp_bind()，系結到隨機埠，
udp_connect()還會檢查該控制塊是否掛載到了udp控制塊鏈表中，未掛載的話執行掛載，
udp_connect()同樣也不是UDP通訊的必要步驟，系結的優點在于系結后可以直接呼叫udp_send()，直接向系結的目標IP和埠發送資料，無需像呼叫udp_sendto()介面一樣每次指定目標IP和埠，同時提高了執行效率，recv()時防止受到其他IP資料，
該介面一般是設備作UDPC時使用，系結了目標IP后直接呼叫udp_send()發送，UDPS這類需要頻繁向不同目標IP、埠發送資料的應用顯然不適合使用該介面，

/**
 * “斷開”UDP控制塊已經建立的連接
 * @param pcb UDP控制塊指標
 */
void udp_disconnect(struct udp_pcb *pcb);

與udp_connect()同理，udp_disconnect()也不會真的執行斷開連接的互動，只是將控制塊中系結的遠程IP、埠號清零，并將flag的連接標志復位，也沒有將控制塊從鏈表中洗掉的操作，

  pcb->remote_port = 0;
  pcb->netif_idx = NETIF_NO_INDEX;
  udp_clear_flags(pcb, UDP_FLAGS_CONNECTED);

2.2.4. 發送

err_t udp_send(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p);

err_t udp_sendto(struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p,
                const ip_addr_t *dst_ip, u16_t dst_port);

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);

四個函式是一層一層呼叫的，udp_send() -> udp_sendto() -> udp_sendto_if() -> udp_sendto_if_src(),
從udp_send()函式開始，只需要傳入UDP控制塊和pbuf指標，在每層的呼叫程序中根據控制塊中的資訊將目的ip、埠號、netif、源IP資訊逐步補全，最后通過ip_output_if_src()函式將資料傳輸到IP層繼續處理，
實際開發中常用的兩個介面是send()和sendto()，如上文介紹，執行過connect()的UDP可以直接呼叫send()發送到固定IP埠，代碼設計上更加簡潔高效，而呼叫sendto()可以每次向不同目標IP埠發送，使用上更加靈活，

2.2.5. 接收

/**
 * 為控制塊注冊接識訓呼
 * @param pcb UDP控制塊指標
 * @param recv 處理網路資料的接識訓呼
 * @param recv_arg 觸發時傳入回呼的用戶自定義引數
 */
void udp_recv(struct udp_pcb *pcb, udp_recv_fn recv,void *recv_arg);

udp層提供的方法是通過注冊接識訓呼的方式實作接收網路資料，
回呼型別：

/**
 * udp接識訓呼
 * @param arg 回呼注冊時設定的用戶自定義引數
 * @param pcb UDP控制塊
 * @param p pbuf指標(payload在這里)
 * @param addr 資料來源IP
 * @param port 資料來源埠號
 */
typedef void (*udp_recv_fn)(void *arg, struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port);

注冊的回呼在udp_input()中被執行，而udp_input()由IP層的ip4_input()/ip6_input()觸發，網路端收到資料后，IP層會判斷資料協議是否為UDP協議，若是則將資料、發送方的資訊、用戶自定義資料傳入udp_input()，最終到達用戶設定的回呼中供使用，

3. 參考文獻：

LwIP-2.1.0原始碼
《深入理解計算機網路》

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