AVRNET 学习笔记UDP部分

张衍波

1前言
        UDP协议全称为用户数据协议，是一种简单有效的运输协议。和以太网首部和IP首部相似，UDP首部也有自身的数据结构定义。从运输协议开始引入端口的概念，端口相当于一个应用程序的标识符。相对于TCP协议而言，UDP协议简单的多。本文将实现UDP协议，并通过几个简单的案例说明UDP的使用。
1.2 相关资料
ENC28J60学习笔记链接
http://www.amobbs.com/thread-5519381-1-1.html
AVRNET学习笔记 ETHERNET和ARP部分
http://www.amobbs.com/thread-5519452-1-1.html
AVRNET学习笔记 IP和ICMP部分
http://www.amobbs.com/thread-5519494-1-1.html
AVRNET项目(国外)
http://www.avrportal.com/?page=avrnet
AVR webserver项目(国外)
http://www.tuxgraphics.org/elect ... 111.shtml#0lfindex0
2 UDP部分实现
        UDP功能的实现可分为UDP首部填充，UDP缓冲区填充和UDP报文查询。UDP首部填充是一个按部就班的过程，即填充源端口，目标端口，长度和校验和。UDP缓冲区填充即往UDP负载部分逐个填充数据。UDP报文查询功能即匹配本机UDP端口号，并进行函数处理。为了实现这些功能，首先需要以下宏定义。需要注意的是以太网传输协议中数据被以大端的形式保存，即低地址存放了高字节。例如端口号的高字节存放在了0x22的位置，而端口号的低字节存放在了0x23的位置。
// UDP默认端口号
#define UDP_AVR_PORT_V    3000
#define UDP_AVR_PORT_H_V  (UDP_AVR_PORT_V>>8)
#define UDP_AVR_PORT_L_V  (UDP_AVR_PORT_V&0xff)
// 源端口
#define UDP_SRC_PORT_H_P  0x22      
#define UDP_SRC_PORT_L_P  0x23
// 目标端口
#define UDP_DST_PORT_H_P  0x24
#define UDP_DST_PORT_L_P  0x25
// UDP负载长度
#define UDP_LENGTH_H_P    0x26
#define UDP_LENGTH_L_P    0x27
// UDP校验和
#define UDP_CHECKSUM_H_P  0x28
#define UDP_CHECKSUM_L_P  0x29
// UDP负载起始地址
#define UDP_DATA_P        0x2A
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2.1 UDP首部填充
        UDP首部填充中需要明确UDP的端口号，AVRNET项目中通过常数宏定义实现
#define UDP_AVR_PORT_V    3000
#define UDP_AVR_PORT_H_V  (UDP_AVR_PORT_V>>8)
#define UDP_AVR_PORT_L_V  (UDP_AVR_PORT_V&0xff)
从这段代码中可以看出，AVRNET的UDP端口号为3000。
void udp_generate_header ( BYTE *rxtx_buffer, WORD_BYTES dest_port, WORD_BYTES length )
{
  WORD_BYTES ck;

  // 默认端口号 3000
  rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_H_P] = UDP_AVR_PORT_H_V;
  rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_L_P] = UDP_AVR_PORT_L_V;

  // 目标端口地址
  rxtx_buffer[UDP_DST_PORT_H_P] = dest_port.byte.high;
  rxtx_buffer[UDP_DST_PORT_L_P] = dest_port.byte.low;

  // 负载长度
  rxtx_buffer[UDP_LENGTH_H_P] = length.byte.high;
  rxtx_buffer[UDP_LENGTH_L_P] = length.byte.low;

  // 计算校验和
  rxtx_buffer[UDP_CHECKSUM_H_P] = 0;
  rxtx_buffer[UDP_CHECKSUM_L_P] = 0;
  // length+8 for source/destination IP address length (8-bytes)
  ck.word = software_checksum ( (BYTE*)&rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P], length.word+8, length.word+IP_PROTO_UDP_V);
  rxtx_buffer[UDP_CHECKSUM_H_P] = ck.byte.high;
  rxtx_buffer[UDP_CHECKSUM_L_P] = ck.byte.low;
}
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2.2 UDP负载长度查询
        UDP首部中包含UDP长度的描述字节，长度占有两个字节并以大端格式保存，由于宏定义的提示作用，弱化了大端格式的影响。长度中也包括了UDP首部的长度，UDP首部的长度为固定的8字节。
WORD udp_get_dlength( BYTE *rxtx_buffer )
{
  WORD length = 0;
  // 获得UDP长度
  length = rxtx_buffer[UDP_LENGTH_H_P] << 8 | rxtx_buffer[UDP_LENGTH_L_P];
  // 去除首部长度
  length = length - 8;

  return length;
}
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2.3 UDP负载区填充
        UDP负载去填充即在UDP首部之后填充有用的数据。在这段真实负载之前包括了UDP首部，IP首部和以太网首部，分别占用了8字节，20字节和14字节。UDP负载的起始地址通过宏由UDP_DATA_P定义。对于AVR单片机的特点，为了尽一切可能节约内存使用率，在向负载区填充数据时用到了两个函数，udp_puts_data函数操作的是BYTE*类型的数据，而udp_puts_data_p操作的为PGM_P类型数据，即位于FLASH中的数据，需要通过pgm_read_byte取出。而其他类型的CPU，例如STM却没有该功能，则使用udp_puts_data即可。
WORD udp_puts_data ( BYTE *rxtx_buffer, BYTE *data, WORD offset )
{
  while( *data )
  {
    rxtx_buffer[ UDP_DATA_P + offset ] = *data++;
    offset++;
  }

  return offset;
}
WORD udp_puts_data_p ( BYTE *rxtx_buffer, PGM_P data, WORD offset )
{
  BYTE ch;

  while( (ch = pgm_read_byte(data++)) )
  {
    rxtx_buffer[ UDP_DATA_P + offset ] = ch;
    offset++;
  }

  return offset;
}
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2.4 UDP报文查询
        UDP报文的查询需要匹配接收数据包中的UDP端口号，若匹配成功则可对输入数据包进行处理，这些处理包括解析数据包的数据格式，分析出控制命令或查询命令。也可以通过udp_puts_data向发送缓冲区中填写响应数据。接着逐步生成以太网首部，IP首部和UDP首部，以太网首部中包含目标MAC地址，IP首部中包含目标IP地址，UDP首部中包含目标端口号。
BYTE udp_receive ( BYTE *rxtx_buffer, BYTE *dest_mac, BYTE *dest_ip )
{
  WORD dlength = 0;
  // udp负载长度
  WORD udp_loadlen = 0;

  // 匹配UDP协议 UDP端口号
  if ( rxtx_buffer[IP_PROTO_P] != IP_PROTO_UDP_V || rxtx_buffer[UDP_DST_PORT_H_P] != UDP_AVR_PORT_H_V || rxtx_buffer[ UDP_DST_PORT_L_P ] != UDP_AVR_PORT_L_V )
    return 0;

// 加入处理函数

  // 生成以太网首部
  eth_generate_header (rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ETH_TYPE_IP_V}, dest_mac );
  // 生成IP首部
  ip_generate_header (rxtx_buffer, (WORD_BYTES){sizeof(IP_HEADER)+sizeof(UDP_HEADER)+dlength}, IP_PROTO_UDP_V, dest_ip );
  // 生成UDP首部
  udp_generate_header (rxtx_buffer, (WORD_BYTES){(rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_H_P]<<8)|rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_L_P]}, (WORD_BYTES){sizeof(UDP_HEADER)+dlength});
  // 发送所有首部和UDP负载数据
  enc28j60_packet_send ( rxtx_buffer, sizeof(ETH_HEADER)+sizeof(IP_HEADER)+sizeof(UDP_HEADER)+dlength );

  return 1;
}
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3 实验
        实验部分主要是为了验证UDP协议，通过PC机上的网络调试软件开辟一个PC机的UDP端口，假定端口号为3001，IP地址为192.168.1.102；AVR的UDP默认端口号为3000，IP地址为192.168.1.105。
3.1 程序结构
        在运行UDP程序之前，需要运行ARP，IP和ICMP各部分，并保存发起发的MAC地址和IP地址。
/* 获得新的IP报文 */
  plen = enc28j60_packet_receive( (BYTE*)&rxtx_buffer, MAX_RXTX_BUFFER );
  if(plen==0) return;

  /* 保存客服端的MAC地址 */
  memcpy ( (BYTE*)&client_mac, &rxtx_buffer[ ETH_SRC_MAC_P ], sizeof(MAC_ADDR) );
  /* 检查该报文是不是ARP报文 */
  if ( arp_packet_is_arp( rxtx_buffer, (WORD_BYTES){ARP_OPCODE_REQUEST_V} ) )
  {
    /* 向客户端返回ARP报文 */
    arp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac );
    return;
  }

  /* 保存客服端的IP地址 */
  memcpy ( (BYTE*)&client_ip, &rxtx_buffer[ IP_SRC_IP_P ], sizeof(IP_ADDR) );  
  /* 检查该报文是否为IP报文 */
  if ( ip_packet_is_ip ( (BYTE*)&rxtx_buffer ) == 0 )
  {
    return;
  }

  /* 如果是ICMP报文 向发起方返回数据 */
  if ( icmp_send_reply ( (BYTE*)&rxtx_buffer, (BYTE*)&client_mac, (BYTE*)&client_ip ) )
  {
    return;
  }

  // 进行UDP处理
        if (udp_receive ( (BYTE *)&rxtx_buffer, (BYTE *)&client_mac, (BYTE *)&client_ip ))
        {
          return;
        }
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3.2 源IP和源端口
        使用网路调试助手发送一个名称，例如UDP。在仿真环境中通过串口打印出发起方的IP地址和端口号，例如PC机的端口号设定为3001，PC机的IP地址为192.168.1.102。在udp_receive函数中需要判断UDP端口号和目标IP地址是否匹配，若匹配即可加入以下代码。首先获得UDP的负载长度，使用memcpy命令复制到udp_recbuf中，接着通过串口打印源IP地址，该参数位于IP首部，源端口号，该参数位于UDP首部中。
// 获得UDP负载长度
    udp_loadlen = udp_get_dlength(rxtx_buffer);

    // 复制UDP负载
    memcpy(udp_recbuf,(char*)&rxtx_buffer[UDP_DATA_P],udp_loadlen);

  #ifdef UDP_DEBUG
    printf("UDP Message!\n");
    printf("Send Form:%d.%d.%d.%d ",\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);
    printf("Port:%d\n",(rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_H_P] << 8) | rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_L_P]);
    printf("Reccive:%s\n",udp_recbuf);
  #endif
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图 网络调试助手

网络调试助手使用时，先设定协议类型为UDP，并修改本机端口号改为3000，点击连接。然后修改目标主机的IP地址，改为AVR的IP地址，目标端口号改为3000.最后填入数据点击发送。

图 UDP 输出结果

可以看出，PC机先发送UDP命令之前先发送了一个ARP请求，找出AVR的MAC地址，接着发送UDP数据包。这个实验可以验证UDP接收数据包正确。
3.3 返回Hello UDP
        接着稍微修改一下上面的程序，接收到UDP数据包之后，在负载数据之前加入Hello字符，如果输入的为xukai871105，则返回Hello xukai871105。可以通过网络调试助手看到返回的结果。使用strcpy函数把Hello复制到udp_sendbuf数组中，接着使用strcat把udp_recbuf中的字符串连接到udp_sendbuf之后，最后调用udp_puts_date填充到发送缓冲区中，udp_puts_date的最后一个参数为缓冲区的起始字节，第一次填入时应使用0。
// 获得UDP负载长度
    udp_loadlen = udp_get_dlength(rxtx_buffer);

    // 复制UDP负载
    memcpy(udp_recbuf,(char*)&rxtx_buffer[UDP_DATA_P],udp_loadlen);

  #ifdef UDP_DEBUG
    printf("UDP Message!\n");
    printf("Send Form:%d.%d.%d.%d ",\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);
    printf("Port:%d\n",(rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_H_P] << 8) | rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_L_P]);
    printf("Reccive:%s\n",udp_recbuf);
  #endif

    // 复制Hello
    strcpy(udp_sendbuf,"Hello ");
    // 连接数据
    strcat(udp_sendbuf,udp_recbuf);
dlength = udp_puts_data ( rxtx_buffer,(BYTE*)udp_sendbuf, 0 );
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图 UDP返回结果

        通过前面两个实验可以证明UDP的接收和发送工作正常。
3.4 LED控制
        验证了UDP的发送和接收，可以通过定义一组指令实现LED的控制。AVRNET项目中有两个LED指示灯，设计这样一组指令打开或关闭LED，例如
led1=1                打开LED1
led1=0                关闭LED1
led2=1                打开LED2
led2=0               关闭LED2
具体代码如下。通过memcmp比较UDP数据包的中前4个字符是否为led1，如果两个字符串相等，则进行led1的控制处理，在根据第5个字节（从0开始）判断操作是打开还是关闭。
   // 获得UDP负载长度
    udp_loadlen = udp_get_dlength(rxtx_buffer);

    // 复制UDP负载
    memcpy(udp_recbuf,(char*)&rxtx_buffer[UDP_DATA_P],udp_loadlen);

  #ifdef UDP_DEBUG
    printf("UDP Message!\n");
    printf("Send Form:%d.%d.%d.%d ",\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+0],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+1],\
          rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+2],rxtx_buffer[IP_SRC_IP_P+3]);
    printf("Port:%d\n",(rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_H_P] << 8) | rxtx_buffer[UDP_SRC_PORT_L_P]);
    printf("Reccive:%s\n",udp_recbuf);
  #endif

    // 命令解析  led1=1
    if( !memcmp((char*)&udp_recbuf,"led1",4) )
    {
      // led1 = 1
      if( udp_recbuf[5] == '1')
      {
        LED_PORT &= ~_BV ( LED_PIN1 );
      }
      else
      {
        LED_PORT |= _BV( LED_PIN1 );
      }
      dlength = udp_puts_data_p ( rxtx_buffer, PSTR("led1 command"), 0 );
}
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图 通过led=1命令控制LED点亮

4总结
        UDP是一个非常简答有效的协议。协议占用的Flash和RAM的空间较小，LED控制实例调试时占用的RAM空间为409字节，仅占用了AVRNET使用的ATmega32内存空间的20%。研究完UDP协议之后便可研究分析TCP协议，在熟悉的TCP协议的基础上才可实践HTTP制作WEB网页。使用嵌入式实践WEB服务器之前还需要练习静态网页动态网页的制作方法，熟悉HTTP请求格式等等工作。
最后附上工程代码！转载