有線網(wǎng)絡通信實驗2之UDP協(xié)議

25.1 UDP協(xié)議概述

UDP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧中傳輸層協(xié)議，是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的協(xié)議，在傳輸層中還有一個TCP協(xié)議，UDP不提供數(shù)據(jù)包分組，組裝，無法對數(shù)據(jù)包進行排序，當報文發(fā)送出去之后無法知道是否安全，完整的到達，但是由于UDP不屬于連接性協(xié)議，所以消耗資源小，處理速度快，通常用于音頻，視頻和普通數(shù)據(jù)傳輸中，UDP數(shù)據(jù)包結構如下圖所示。

端口號表示發(fā)送和接收進程，UDP使用端口號為不同的應用保留各自的數(shù)據(jù)傳輸通道，UDP和TCP都是采用端口號的形式對同一時刻多個應用同時發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)接收方則通過目標端口接受數(shù)據(jù)，有的網(wǎng)絡只能使用預先預留或注冊的靜態(tài)端口，而一些網(wǎng)絡可以使用沒有被注冊的動態(tài)端口，由于UDP包頭使用兩個字節(jié)存放端口號，所以端口的有效范圍0~65535，一般，大于49151的端口號都代表動態(tài)端口。

數(shù)據(jù)包的長度指的是包括包頭和數(shù)據(jù)部分在內的總字節(jié)數(shù)，由于包頭的長度固定，所以這個區(qū)域主要用于計算可變長度的數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)包的最大長度根據(jù)操作環(huán)境選擇，理論上說，包括包頭在內的數(shù)據(jù)報文最大長度為65535字節(jié)。

UDP通過包頭中的校驗和來保證數(shù)據(jù)的完整性，校驗和首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計算出，傳遞到接收方之后，需要重新計算，如果某個數(shù)據(jù)在輸出過程中被篡改或某種原因損壞，那么發(fā)送方和接收方的校驗和就會不一致，因此，UDP協(xié)議具有檢測報文是否出錯的能力。

udp.c和udp.h這兩個文件就是負責實現(xiàn)UDP傳輸協(xié)議的文件，與UDP報文處理有關的函數(shù)之間的關系如下圖所示。

LWIP協(xié)議中API編程方式是基于回調機制的，在我們初始化應用的時候必須為內核中不同的事件注冊給出對應的回調函數(shù)，當對應的事件發(fā)生后這些回調函數(shù)就會被調用，udp.c中常用的API功能函數(shù)如下表所示。

25.2 應用編寫

在LWIP/app/udp_demo目錄下創(chuàng)建udp_demo.c和udp_demo.h文件。

25.2.1 udp_demo.c代碼編寫

#include "udp_demo.h" 
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "lcd.h"
#include "malloc.h"
#include "string.h"
#include "comm.h"
#include "lwip/pbuf.h"
#include "lwip/udp.h"
#include "lwip/tcp.h"
//UDP 測試全局狀態(tài)標記變量
//bit6:數(shù)據(jù)接收狀態(tài)
//bit5:連接狀態(tài)
u8 udp_demo_flag;
//設置遠端IP地址
void udp_demo_set_remoteip()
{
  u8 *tbuf ;
  LCD_Clear( WHITE ) ;
  POINT_COLOR = RED ;
  tbuf = mymalloc( SRAMIN, 100 ) ;                                  //申請內存
  if( tbuf==NULL )
    return ;
  //前三個IP保持和DHCP得到的IP一致
  lwipdev.remoteip[ 0 ] = lwipdev.ip[ 0 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 1 ] = lwipdev.ip[ 1 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 2 ] = lwipdev.ip[ 2 ] ;
  lwipdev.remoteip[ 3 ] = 113 ;
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote IP:%d.%d.%d.", lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 150, tbuf ) ;                //遠端IP
  myfree( SRAMIN, tbuf ) ;
}
// UDP接收回調函數(shù)
u8 udp_demo_recvbuf[ UDP_DEMO_RX_BUFSIZE ] ;            //UDP接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
void udp_demo_recv( void *arg, struct udp_pcb *upcb, struct pbuf *p, struct ip_addr *addr, u16_t port )
{
  u32 data_len=0 ;
  struct pbuf *q ;
  //接收到不為空的數(shù)據(jù)時
  if( p!=NULL )
  {
    memset( udp_demo_recvbuf, 0, UDP_DEMO_RX_BUFSIZE ) ;    //數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)清零
    //遍歷完整個pbuf鏈表
    for( q=p; q!=NULL; q=q->next )
    {
      //拷貝數(shù)據(jù)
      if( q->len>( UDP_DEMO_RX_BUFSIZE-data_len ) )
        memcpy( udp_demo_recvbuf+data_len, q->payload, UDP_DEMO_RX_BUFSIZE-data_len ) ;
      else
        memcpy( udp_demo_recvbuf+data_len, q->payload, q->len ) ;
      data_len += q->len ;
      //超出TCP客戶端接收數(shù)組,跳出
      if( data_len>UDP_DEMO_RX_BUFSIZE )
        break ;  
    }
    upcb->remote_ip = *addr ;                  //記錄遠程主機的IP地址
    upcb->remote_port = port ;                //記錄遠程主機的端口號
    lwipdev.remoteip[ 0 ] = upcb->remote_ip.addr&0xFF ;      //IADDR4
    lwipdev.remoteip[ 1 ] = ( upcb->remote_ip.addr>>8 )&0xFF ;  //IADDR3
    lwipdev.remoteip[ 2 ] = ( upcb->remote_ip.addr>>16 )&0xFF ;  //IADDR2
    lwipdev.remoteip[ 3 ] = ( upcb->remote_ip.addr>>24 )&0xFF ;  //IADDR1 
    udp_demo_flag |= 1<<6 ;                  //標記接收到數(shù)據(jù)了
    pbuf_free( p ) ;                      //釋放內存
  }
  else
  {
    udp_disconnect( upcb ) ;
    LCD_Clear( WHITE ) ;                    //清屏
    udp_demo_flag &= ~( 1<<5 ) ;                //標記連接斷開
  }
}
// UDP服務器發(fā)送數(shù)據(jù)
const u8 *tcp_demo_sendbuf="STM32F103 UDP send data\\r\\n";
void udp_demo_senddata( struct udp_pcb *upcb )
{
  struct pbuf *ptr ;
  ptr = pbuf_alloc( PBUF_TRANSPORT, strlen( ( char* )tcp_demo_sendbuf ), PBUF_POOL ) ;//申請內存
  if( ptr )
  {
    ptr->payload = ( void* )tcp_demo_sendbuf ;
    udp_send( upcb, ptr ) ;                    //udp發(fā)送數(shù)據(jù) 
    pbuf_free( ptr ) ;                                        //釋放內存
  }
}
//關閉UDP連接
void udp_demo_connection_close( struct udp_pcb *upcb )
{
  udp_disconnect( upcb ) ;
  udp_remove( upcb ) ;                      //斷開UDP連接 
  udp_demo_flag &= ~( 1<<5 ) ;                  //標記連接斷開
  LCD_Clear( WHITE ) ;                      //清屏
}
// UDP測試
void udp_demo_test()
{
   err_t err ;
  struct udp_pcb *udppcb ;                    //定義一個TCP服務器控制塊
  struct ip_addr rmtipaddr ;                                      //遠端ip地址
  u8 *tbuf ;
  u8 res=0 ;
  udp_demo_set_remoteip() ;                    //先選擇IP
  LCD_Clear( WHITE ) ;                      //清屏
  tbuf = mymalloc( SRAMIN, 200 ) ;                //申請內存
  //內存申請失敗了,直接退出
  if( tbuf==NULL )
    return ;
  sprintf( ( char* )tbuf, "Local IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 150, tbuf ) ;                //服務器IP
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2], lwipdev.remoteip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 170, tbuf ) ;                //遠端IP
  sprintf( ( char* )tbuf, "Remote Port:%d", UDP_DEMO_PORT ) ;
  LCD_ShowString( 30, 190, tbuf ) ;                //客戶端端口號
  LCD_ShowString( 30, 210, "STATUS:Disconnected" ) ;
  udppcb = udp_new() ;
  //創(chuàng)建成功
  if( udppcb )
  { 
    IP4_ADDR( &rmtipaddr, lwipdev.remoteip[0], lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2], lwipdev.remoteip[3] ) ;
    err = udp_connect( udppcb, &rmtipaddr, UDP_DEMO_PORT ) ;  //UDP客戶端連接到指定IP地址和端口
    if( err==ERR_OK )
    {
      err = udp_bind( udppcb, IP_ADDR_ANY, UDP_DEMO_PORT ) ; //綁定本地IP地址與端口號
      //綁定完成
      if( err==ERR_OK )
      {
        udp_recv( udppcb, udp_demo_recv, NULL ) ;      //注冊接收回調函數(shù)
        LCD_ShowString( 30, 210, "STATUS:Connected   " ) ;  //標記連接上了
        udp_demo_flag |= 1<<5 ;              //標記已經(jīng)連接上
        LCD_ShowString( 30, 230, "Receive Data:" ) ;      //提示消息
      }
      else
        res = 1 ;
    }
    else
      res = 1 ;
  }
  else
    res = 1 ;
  while( res==0 )
  {
    //是否收到數(shù)據(jù)
    if( udp_demo_flag&1<<6 )
    {
      LCD_ShowString( 30, 250, udp_demo_recvbuf ) ;      //顯示接收到的數(shù)據(jù)
      udp_demo_senddata( udppcb ) ;              //發(fā)送數(shù)據(jù)
      udp_demo_flag &= ~( 1<<6 ) ;              //標記數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理了
    } 
    lwip_periodic_handle() ;
    lwip_pkt_handle() ;
    delay_ms( 2 ) ;
  }
  udp_demo_connection_close( udppcb ) ;
  myfree( SRAMIN, tbuf ) ;
}

25.2.2 udp_demo.h代碼編寫

#ifndef _UDP_DEMO_H_
#define _UDP_DEMO_H_
#include "sys.h"
#define UDP_DEMO_RX_BUFSIZE  2000              //定義udp最大接收數(shù)據(jù)長度 
#define UDP_DEMO_PORT      8089              //定義udp連接的端口 
void udp_demo_test( void ) ;                    //UDP測試
#endif

25.2.3 主函數(shù)代碼編寫

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "tim.h"
#include "lcd.h"
#include "malloc.h"
#include "dm9000.h"
#include "lwip/netif.h"
#include "comm.h"
#include "lwipopts.h"
#include "udp_demo.h"
int main()
{
  u8 buf[ 30 ];
   STM32_Clock_Init( 9 ) ;                        //系統(tǒng)時鐘設置
  SysTick_Init( 72 ) ;                          //延時初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                      //串口初始化為115200
  LCD_Init() ;                            //初始化LCD
  TIM3_Init( 1000, 719 ) ;                        //定時器3頻率為100hz
  my_mem_init( SRAMIN ) ;                      //初始化內部內存池
  while( lwip_comm_init() ) ;                      //lwip初始化
  //等待DHCP獲取成功/超時溢出
  while( ( lwipdev.dhcpstatus!=2 )&&( lwipdev.dhcpstatus!=0xFF ) )
  {
    lwip_periodic_handle() ;                    //LWIP內核需要定時處理的函數(shù)
    lwip_pkt_handle() ;
  }
  POINT_COLOR=RED;
  LCD_ShowString( 30, 110, "LWIP Init Successed" ) ;
  //打印動態(tài)IP地址
  if( lwipdev.dhcpstatus==2 )
    sprintf( ( char* )buf, "DHCP IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  //打印靜態(tài)IP地址
  else
    sprintf( ( char* )buf, "Static IP:%d.%d.%d.%d", lwipdev.ip[0], lwipdev.ip[1], lwipdev.ip[2], lwipdev.ip[3] ) ;
  LCD_ShowString( 30, 130, buf ) ; 
  //得到網(wǎng)速
  if( ( DM9000_Get_SpeedAndDuplex()&0x02 )==0x02 )
    LCD_ShowString( 30, 150, "Ethernet Speed:10M" ) ;
  else
    LCD_ShowString( 30, 150, "Ethernet Speed:100M" ) ;
   while( 1 )
  {
    udp_demo_test();
    lwip_periodic_handle() ;
    lwip_pkt_handle() ;
    delay_ms( 2 ) ;
  }
}

25.3 實驗結果