之前在做一個關于數據傳輸的時候，使用到了WiFi傳輸數據，而在傳輸數據時使用到的協議就是LwIP協議棧中的udp協議。現在來回顧總結一下。要敘述LwIP協議棧，那自然得明白LwIP協議棧具體是個啥。總的來說，LwIP是TCP/IP協議中一種獨立、簡單的實現，其設計目的在于保證嵌入式產品擁有完整TCP/IP功能的同時，又能夠保證協議棧對處理器資源的有效消耗，其運行一般僅需要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM。

LwIP的分層機制

在敘述udp協議概念之前，先對LwIP協議的框架有一個簡單的了解，LwIP在實現的時候，參考了TCP/IP協議的分層思想，每一層都在一個單獨的模塊中實現，并為其他層次模塊提供一些輸入/輸出接口函數。下面是分層結構示意圖：

如同前面所說，LwIP協議只是參考了TCP/IP的分層結構，但是它并沒有嚴格地遵循上述所示地分層機制，其為了節省時間和空間上地消耗，各個層次之間存在著交叉存取地現象。

我們通過上述地框圖可以知道UDP屬于傳輸層協議。要明白為什么有傳輸層協議，我們需要明白在傳輸層的下一層，也就是網絡互連層，有IP協議，IP協議是用于數據報在各個主機中傳遞的，但是我們在實際的應用過程中，我們所需要的是數據報在各個應用之間傳遞，說白了也就是在進程與進程之間通信，而傳輸層的存在就是為了實現數據報在進程與進程之間通信的。

而要完成進程到進程之間的通信，傳輸層需要完成幾個重要的任務：

第一：為兩個通信的進程提供連接機制，也就是說傳輸層在接收了IP層傳輸過來的數據之后，應該將這個數據傳到哪一個應用程序中。在這里是通過端口號來完成的。

第二：傳輸層需要提供數據傳送服務。在數據發送端，傳輸層將數據進行組裝、編號，將數據分割成可運輸的單元，然后依次遞交給IP層發送出去。而接收端的傳輸層需要等屬于同一應用程序的數據都到達之后，對他們進行差錯校驗、最后將整個數據交付給應用程序。

第三：為了提供更為可靠的傳輸服務，傳輸層還應該提供流量控制機制。

UDP協議

在簡單地敘述了關于LwIP的框架之后，接下來詳細闡述UDP地相關概念。UDP稱之為用戶數據報協議，是一種無連接地、不可靠地傳輸協議，它只在低級程度上實現了上述地傳輸層功能，為什么說只在低級程度上實現了上述功能呢？因為它只是簡單地完成數據從一個進程到另一個進程地交付，它沒有提供任何流量控制機制，收到地報文也沒有確認，差錯控制上，只提供了檢驗和計算，當校驗和計算不成功時，它將丟棄掉這個報文。

當用戶的進程使用UDP來傳送數據的時候，會經歷三個過程

（1）UDP協議會在數據前加上首部組成UDP報文，并交給IP協議來發送

（2）IP層將報文封裝在IP數據報中并交給底層發送

（3）底層，IP數據報被封裝在物理數據幀中

在UDP的接收端，物理網絡先接收到數據幀，然后逐層將數據遞交給上層協議，每一層都在向上一層去除掉一個首部。

UDP報文格式

UDP報文成為用戶數據報，從結構上可以分為兩部分：UDP首部和UDP數據區，下面是報文結構示意圖：

UDP校驗和的計算超過了UDP報文本身，為了計算校驗和，UDP引入了偽首部的概念，加入了偽首部之后的UDP報文格式如下圖所示：

這里需要指出的一點是，偽首部完全是虛擬的，它并不會和用戶數據報一起被發送出去，只是在校驗和的計算過程中會被使用到，偽首部主要來自于運載UDP報文的IP數據報首部，將源IP地址和目的IP地址加入到校驗和的計算中可以驗證用戶數據報是否已經到達正確的終點。

UDP數據結構體解析

報文首部結構

先來看下UDP數據報首部，代碼如下：

這個結構體很簡潔，使用結構體封裝宏定義的每個字段，還應該注意的是四個字段保存的值應該與網絡字段保持一致。

udp控制塊

控制塊是整個UDP中最為核心的東西，用戶使用UDP進行編程，以及對于UDP報文的處理，本質上都是對UDP控制塊進行操作。一個UDP的控制塊包含UDP連接時需要的所有信息，主要包括：

端口號

目的端口號

源IP地址

目的IP地址

總體來說，系統會為每一個連接分配一個UDP控制塊，然后將他們組織在一個全局的鏈表上，當UDP收到IP層遞交的報文的時候，就會去遍歷這個鏈表，找出與報文中首部信息匹配的控制塊，并調用控制塊中注冊的函數最終完成報文的處理。

在定義UDP控制塊的時候，會使用到IP的控制塊

如上述所示，IP控制塊的定義是通過一個宏來實現的，它包含了本地IP地址、遠端IP地址、socket選項、服務類型、生存時間這幾個字段。有了UP控制塊之后，我們再來看UDP控制塊，下面是UDP控制塊的代碼：

UDP協議實現的本質就是對鏈表上各個UDP控制塊進行操作，再上述所示的結構體中，next是一個UDP控制塊類型的指針，他就是用來構成鏈表的。最后，需要注意的一點是，上述控制塊中的最后兩個字段的是用于用戶和協議棧內核通信的紐帶，反應再udp協議里，就是用來執行用戶自定義的報文數據處理函數的。下面是三個控制塊構成的一個鏈表的一個示意圖：

通過上述示意圖我們可有看到第一個控制塊和第二個控制塊中，包含了本地和遠程的IP地址和端口，所以他們處于連接狀態。第三個控制塊中，只包含了本地IP地址和端口，所以它處于未連接的狀態。UDP的的工作流程是什么呢？簡單來說就是如果當前UDP控制塊收到一個目的端口為1234的數據報，那么內核就會從鏈表的起始處開始遍歷整個鏈表，直到查出具有本地端口號1234的控制塊。當找到控制塊之后，控制塊的recv字段指向的函數proc1會被調用以處理報文數據。

總結

上述就是關于LwIP中udp的一個解析，只是簡單地說明了UDP地一個基本原理，它所涉及地控制塊以及當UDP接收到數據報地時候，又是一個怎樣地處理過程。當然，除了這些，關于UDP還有很多地內容，如何使用UDP發送數據和接收數據都沒涉及到，關于LwIP內核地內容也還需要繼續仔細研讀。
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