UDP报文的数据结构

主要内容参照https://doc.embedfire.com/net/lwip/zh/latest/doc/chapter14/chapter14.html#id6，整理出来自用。

1. UDP 报文首部结构体（udp_hdr）

        为清晰定义 UDP 报文首部的各个字段，LwIP 设计了udp_hdr结构体，其包含 4 个核心字段，具体结构通过代码定义，各字段功能如下：

• src与dest：均为 16 位无符号整数（u16_t），分别表示 UDP 通信的源端口号和目的端口号，用于标识通信双方的应用进程。
• len：16 位无符号整数，代表 UDP 报文的总长度（包括首部和数据部分）。
• chksum：16 位无符号整数，用于 UDP 报文的校验和计算，保障数据传输的完整性（若值为 0 则表示不进行校验）。

        结构体定义中使用PACK_STRUCT相关宏，是为了确保结构体在内存中紧凑存储，避免因编译器对齐规则导致字段偏移，保证数据解析的准确性。

2. UDP 控制块（udp_pcb）

        与 TCP 类似，LwIP 通过 “UDP 控制块” 管理 UDP 通信的所有关键信息，每个基于 UDP 的应用线程都会对应一个控制块，并与特定端口绑定，以便系统识别和处理该应用的 UDP 数据。

（1）控制块的核心组成

UDP 控制块结构体（udp_pcb）的内容可分为两部分：

#define IP_PCB                             \/* 本地ip地址与远端IP地址 */             \ip_addr_t local_ip;                      \ip_addr_t remote_ip;                     \/* 网卡id */                             \u8_t netif_idx;                          \/* Socket 选项 */                        \u8_t so_options;                         \/* 服务类型   */                         \u8_t tos;                                \/* 生存时间 */                           \u8_t ttl                                 \IP_PCB_NETIFHINT/** UDP控制块 */struct udp_pcb{IP_PCB;//指向下一个控制块struct udp_pcb *next;//控制块状态u8_t flags;/** 本地端口号与远端端口号 */u16_t local_port, remote_port;/** 接收回调函数 */udp_recv_fn recv;/** 回调函数参数 */void *recv_arg;};

• 复用 IP 层信息：通过引入IP_PCB宏，直接包含 IP 层通信所需的基础信息，如本地 IP 地址、远端（目标）IP 地址、网卡 ID（netif_idx）、Socket 选项（so_options）、服务类型（tos）和生存时间（ttl），避免信息重复定义，简化 IP 层与 UDP 层的交互。
• UDP 层专属信息：包括控制块链表指针（next，用于连接多个控制块）、控制块状态标识（flags）、本地端口号与远端端口号（local_port、remote_port，核心标识字段，用于匹配应用线程），以及接收数据的回调函数（recv）和回调参数（recv_arg，用于数据递交给上层应用）。

（2）控制块的管理方式

        LwIP 会将所有 UDP 控制块通过next指针串联成一个链表，链表的头节点由全局变量udp_pcbs记录。这种链表结构便于系统在处理 UDP 数据时，通过遍历链表快速查找对应的控制块，提高数据处理效率。

（3）回调函数的注册

        回调函数（udp_recv_fn）是 UDP 层向应用层递交数据的关键接口，其函数原型（见原文代码清单 14_3）规定了参数格式：回调参数（arg）、对应的 UDP 控制块（pcb）、存储数据的缓冲区（pbuf）、数据来源的 IP 地址（addr）和端口号（port）。

        回调函数的注册通过udp_recv函数实现：该函数将用户定义（或系统默认）的回调函数及其参数，分别赋值给控制块的recv和recv_arg字段。实际开发中，若使用 NETCONN API 或 Socket API，LwIP 内核会自动注册recv_udp作为回调函数，无需用户手动实现；若使用 RAW API，则需用户自行定义并注册回调函数。

二、UDP 报文发送流程

        UDP 作为传输层协议，需接收上层应用数据并添加首部后，交付给 IP 层发送，核心逻辑由udp_sendto_if_src函数实现，整体流程简洁，具体步骤如下：

1. 端口绑定检查：若当前 UDP 控制块未绑定本地端口（local_port为 0），则先调用udp_bind函数完成端口绑定，确保数据能被正确识别和处理。
2. 数据长度与内存检查：
   • 校验数据总长度：判断添加 UDP 首部（长度为 UDP_HLEN）后，总长度是否超过 16 位整数的最大值（避免溢出），若超过则返回内存错误（ERR_MEM）。
   • 检查缓冲区空间：尝试在当前数据缓冲区（pbuf）头部预留 UDP 首部空间，若空间不足，则新分配一个仅存储首部的pbuf，并与原数据缓冲区链接成链表（pbuf_chain）。
3. 填充 UDP 首部：将控制块中的本地端口号、目标端口号，以及缓冲区总长度（转换为网络字节序，通过lwip_htons函数），分别填入 UDP 首部的src、dest和len字段；校验和字段（chksum）默认设为 0（表示不校验，可根据需求调整）。
4. 交付 IP 层发送：调用ip_output_if_src函数，将封装好 UDP 首部的数据交付给 IP 层，由 IP 层负责通过指定网卡（netif）发送到目标地址；发送完成后，根据缓冲区是否为新分配，决定是否释放内存（pbuf_free），并更新相关统计指标（如udp.xmit、mib2.udpoutdatagrams）。

        相较于 TCP，UDP 发送流程无需建立连接、重传确认等复杂逻辑，仅需完成首部封装和层间交付，处理效率更高。

三、UDP 报文接收流程

        当 IP 层接收到 UDP 报文后，会调用udp_input函数将数据递交给 UDP 层处理，核心是通过匹配控制块找到对应应用，并完成数据递交，具体步骤如下：

1. 合法性初步校验：

   • 检查报文长度：若当前缓冲区长度小于 UDP 首部长度（UDP_HLEN），则判定为无效报文，更新错误统计（如udp.lenerr）并释放缓冲区，直接结束处理。
   • 解析基础信息：提取 UDP 首部（转换为udp_hdr类型），判断报文是否为广播包（ip_addr_isbroadcast），并将源端口号、目的端口号从网络字节序转换为主机字节序（lwip_ntohs）。

2. 遍历控制块链表匹配应用：

   • 遍历udp_pcbs链表，对比控制块的 “本地端口号” 与报文的 “目的端口号”，同时通过udp_input_local_match函数校验 IP 地址匹配性（本地 IP 与报文目的 IP），筛选出候选控制块。
   • 进一步筛选 “完全匹配” 的控制块：在候选控制块中，对比控制块的 “远端端口号” 与报文的 “源端口号”、控制块的 “远端 IP” 与报文的 “源 IP”，若均匹配，则确定为目标控制块；若存在多个候选，会将完全匹配的控制块移至链表头部，优化后续查找效率。
   • 无完全匹配时的处理：若未找到完全匹配的控制块，会选取第一个未绑定远端信息（UDP_FLAGS_CONNECTED未置位）的候选控制块作为替代；若仍无候选，则判定为 “无对应应用”。

3. 数据递交或差错反馈：

   • 数据递交（找到对应控制块）：先从缓冲区中移除 UDP 首部（pbuf_remove_header），提取纯数据部分；若控制块已注册回调函数（recv不为空），则调用该函数，将数据、源 IP、源端口等信息递交给上层应用（回调函数需负责后续缓冲区释放）；若未注册回调函数，则直接释放缓冲区。
   • 差错反馈（无对应控制块）：若报文非广播包或多播包，会构造 “端口不可达” 的 ICMP 差错报文（通过icmp_port_unreach函数），反馈给报文源主机，同时释放缓冲区并更新统计指标（如udp.proterr、mib2.udpnoports）。

4. 资源清理与统计更新：处理结束后，释放相关资源（如缓冲区），停止性能计时（PERF_STOP），并更新 UDP 接收相关的统计数据（如udp.recv、mib2.udpindatagrams）。