正点原子lwIP学习笔记——UDP协议

1.UDP协议报文结构

UDP的首部是8个字节，一共分成2字节的四个部分：首先是src源端口号；然后是dest目的端口号；然后是len，代表了UDP的长度；最后是chksum校验和；四个都是uint16_t的变量类型，也就是2个字节。

2.UDP数据递交流程

1. 首先就是用户在应用层发送数据，把数据放入pbuf之中，其中payload此时会直接指向数据的首地址，pbuf的层头是PBUF_TRANSPORT（54字节）；
2. 把数据递交给传输层，这里讲解的就是UDP协议，把payload指针上移8个字节，并添加UDP的首部；
3. 最后把pbuf递交给网络层，payload指针再次上移20个字节，添加IP首部。

3.UDP控制块结构

UDP一共提供了三种接口：RAW、NETCONN以及SOCKET；RAW可以在逻辑下调用，而NETCONN以及SOCKET一定要带FreeRTOS；

如果采用RAW，那么最后两个函数，也就是recv以及recv_arg，处理网络接收数据的回调和用户自定义的参数arg，都需要手动去定义；如果是NETCONN或者是SOCKET，这两个则是lwIP自动编写好的，无需用户操作。

lwIP允许实现多个UDP的连接，就是通过next指针连接成一个单向链表；flags则是来表征当前控制块的状态，是出于连接状态还是非连接状态；

例如接收到一个数据块，这个pbuf根据解读网络层的IP首部，发现是UDP协议，就会递交给udp_input进行处理；该函数会在获取了udp的首部信息之后，遍历UDP控制块构成的单向链表；如果说当前pbuf中的目的端口与链表之中的一个udp控制块的本地端口一致，那么这个控制块就会获得这个pbuf；然后会根据控制块中的接收数据的回调函数，进行数据处理。

而NETCONN和SOCKET，原理是一样的，只不过是采用IPC方式，在操作系统中以邮箱的方式，把pbuf的指针指向对应的udp控制块，然后调用相应的回调函数。

接收数据之后，lwIP内核就会把数据递交给UDP控制块recv函数指针指向的函数。

RAW的传输速度是最快的，但是实现起来比较麻烦，需要了解lwIP内核；NETCONN的API就是采用IPC策略接收数据，速度稍慢但易于操作；SOCKET API高度抽象了NETCONN API，所以最易使用，但是速度最慢。

UDP控制块原理

• 链接：udp的控制块会通过next指针链接成为单向链表；
• 函数：每一个控制块都有对应的recv回调函数；
• 端口：lwIP内核根据端口号查找pbuf对应的udp控制块；
• 描述：每一个控制块用来描述各自网络的信息。

4.RAW接口相关函数

RAW接口简介

RAW接口是无操作系统的，回调型API接口；
RAW/callback API是lwIP的特色，在没有操作系统的裸机环境中，只能通过这种API进行开发，当然这种API也可应用于带操作系统的系统中。

优点：
内存少、效率高、兼容强、切换少。

缺点：
可读性差、逻辑复杂、易用性弱。

RAW接口UDP函数

• udp_new
  通过udp_pcb新建一个pcb的控制块，然后通过memp_malloc以内存池方式申请内存，memset初始化为0，并设置pcb的ttl生存时间；
• udp_remove
  通过pcb然后再单向链表中for循环，找到了要删除的控制块之后，调用memp_free直接释放内存，并通过链表指针删除该控制块（next指针）；
• udp_bind
  把pcb控制块绑定一个本地的IP地址和端口号；
• udp_connect
  把pcb控制块插入单向链表中，值得注意的是，是从首部进行插入；
• udp_disconnect
  主要就是操作udp首部的flag位置，清0表示不再链接；
• udp_send
  内部调用udp_sendto；该函数会调用udp_sendto_if；然后继续调用udp_sendto_if_src；会对payload向上偏移8个字节，然后初始化udp的头部信息，并调用ip_output_if_src发送到IP；而该函数实际对于IPv4而言就是ip4_output_if_src；操作payload偏移然后添加IP头部信息；
• udp_recv
  里面有三个参数，就是把用户编写的recv以及recv_arg传递给pcb结构体。

5.RAW接口的UDP实验

配置流程如下：

1. udp_new创建一个UDP控制块：描述当前UDP的端口号、IP地址等信息；
2. udp_connect设置目标IP地址和插入UDP PCB链表：确定发送的目标地址；
3. udp_bind绑定本地IP地址与端口号：lwIP内核根据端口号和数据转发给目标UDP控制块；
4. udp_recv注册接收回调函数：接收回调函数用户编写；
5. udp_send发送数据：网络搭建完成后，可以收发数据。

实验目标：使用RAW/callback API完成UDP连接；
验证：通过网络调试助手发送数据至开发板，并在LCD屏幕显示；通过KEY0发送数据到上位机中。

首先获取远程IP地址，前三位与DHCP获得的地址一样，而最后一位可以根据开发板的按键进行调节；然后创建一个udpcb这个UDP的控制块，如果创建成功，就把远程地址通过IP4_ADDR传到自定义的ip_addr_t定义的远端地址rmtipaddr；然后把udppcb与rmtipaddr以及端口连接；连接成功后将本地IP地址和端口与udppcb绑定；

绑定成功，进入回调函数进行操作；这里的回调函数，就是单向链表整个遍历，然后通过memcpy拷贝数据到g_lwip_demo_recvbuf这个数据接收缓冲区中；

以上都完成切都成功，就会进入while循环中，并在按下KEY0后，调用lwip_udp_senddata进行数据发送；这个函数会定义一个pbuf为ptr，然后pbuf_alloc申请内存，申请成功后调用pbuf_take把用户发送的数据发给pbuf；然后通过udp_send进行UDP的发送，发送完成后pbuf_free释放掉这个pbuf的内存。

总结

完成了第一个网络传输的实验，主要就是要把远程的和本地的IP地址设置好，同时要把端口设置好传给udppcb；然后就是回调函数里面调用udp_send进行数据传输，基本就完成了这个简单实验。