《電子技術(shù)應(yīng)用》
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uIP中UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2010年第21期
曹欲曉,韓 磊
(南京工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)
摘要: uIP作為一種廣泛使用的輕量級(jí)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,其UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)還不夠完善,目前最新的1.0版本中僅實(shí)現(xiàn)了UDP客戶端,尚沒有實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)端。為此,對(duì)其進(jìn)行了以下三方面的改進(jìn):UDP服務(wù)端口的初始化;接收到UDP客戶端數(shù)據(jù)包后的端口號(hào)判斷及匹配;UDP服務(wù)端發(fā)送報(bào)文后目的端口的釋放。經(jīng)過以上改進(jìn)后,實(shí)驗(yàn)證明,uIP 1.0中的UDP實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端的功能。
Abstract:
Key words :

摘  要: uIP作為一種廣泛使用的輕量級(jí)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧,其UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)還不夠完善,目前最新的1.0版本中僅實(shí)現(xiàn)了UDP客戶端,尚沒有實(shí)現(xiàn)UDP服務(wù)端。為此,對(duì)其進(jìn)行了以下三方面的改進(jìn):UDP服務(wù)端口的初始化;接收到UDP客戶端數(shù)據(jù)包后的端口號(hào)判斷及匹配;UDP服務(wù)端發(fā)送報(bào)文后目的端口的釋放。經(jīng)過以上改進(jìn)后,實(shí)驗(yàn)證明,uIP 1.0中的UDP實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端的功能。
關(guān)鍵詞: uIP;嵌入式TCP/IP協(xié)議棧;UDP;端口

    隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。在目前的技術(shù)條件下,越來越多的嵌入式系統(tǒng)選擇了TCP/IP作為與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)研究與應(yīng)用中的一個(gè)重要領(lǐng)域。
    由于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源都較為有限,大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的TCP/IP協(xié)議棧均根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的裁剪。目前應(yīng)用比較廣泛的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧有:ucTCP-IP、LWIP、uIP、Linux TCP/IP等。其中uIP是專為8 bit和16 bit的嵌入式微控制器設(shè)計(jì)的微型TCP/IP協(xié)議棧, 它具有良好的互操作性, 并遵循RFC標(biāo)準(zhǔn)。uIP協(xié)議棧的特點(diǎn)是具有很小的代碼量,運(yùn)行時(shí)需要的內(nèi)存很少,實(shí)現(xiàn)了常用的TCP/IP協(xié)議;代碼注釋詳盡,可以用于商業(yè)或非商業(yè)用途[1]。由于具有上述特點(diǎn),uIP被廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中。
1 uIP協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)
    在使用uIP的嵌入式系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)中,uIP協(xié)議棧相當(dāng)于一個(gè)代碼庫,它通過一系列的函數(shù)實(shí)現(xiàn)與底層硬件和上層應(yīng)用程序的通信。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和上層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖1所示[2]。

    從圖1可以看出,uIP協(xié)議棧主要提供了uip_input()和uip_periodic()2個(gè)函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用。uIP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL()和UIP_UDP_APPCALL()。

    uIP初始化時(shí)調(diào)用uip_init()函數(shù),它的主要功能是初始化協(xié)議棧的監(jiān)聽端口,并把所有連接設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片驅(qū)動(dòng)程序接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)包放入全局緩沖區(qū)uip_buf中,同時(shí)把包的大小賦給全局變量uip_len。然后uIP的主控部分調(diào)用uip_input()函數(shù),該函數(shù)將會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包首部的協(xié)議標(biāo)識(shí)處理這個(gè)包,并在需要時(shí)調(diào)用上層應(yīng)用程序。當(dāng)uip_input()返回時(shí),一個(gè)輸出數(shù)據(jù)包被放在同一個(gè)全局緩沖區(qū)uip_buf中,其大小賦給uip_len。如果uip_len是0,則說明沒有包要發(fā)送,否則主控部分調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上[3]。

    uIP周期計(jì)時(shí)用于驅(qū)動(dòng)所有的uIP內(nèi)部時(shí)鐘事件。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)后,每一個(gè)TCP連接都會(huì)調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic()。類似于uip_input()函數(shù),uip_periodic()函數(shù)返回時(shí),輸出的IP包要放到uip_buf中,供底層系統(tǒng)查詢uip_len的大小以決定是否發(fā)送。
    由于使用TCP/IP的應(yīng)用很多,因此應(yīng)用程序作為單獨(dú)的模塊由用戶實(shí)現(xiàn)。uIP提供一系列接口供用戶程序調(diào)用,其中大部分接口是作為C的宏命令出現(xiàn)的,之所以這樣做主要是考慮到速度、代碼大小、效率和堆棧的使用。用戶需要把對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理函數(shù)作為接口提供給uIP,并將這個(gè)函數(shù)定義為宏UIP_APPCALL()或者UIP_UDP_APPCALL()。UIP_APPCALL()是用戶對(duì)TCP數(shù)據(jù)包的處理,UIP_UDP_APPCALL()是用戶對(duì)UDP數(shù)據(jù)包的處理[4]。這樣,uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后,在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方,直接調(diào)用UIP_APPCALL()或者UIP_UDP_APPCALL()即可,無需修改uIP。
2 uIP的UDP協(xié)議分析
2.1 UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

    當(dāng)uIP接收到一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包后,首先從包頭中取出數(shù)據(jù)的長度,然后重新對(duì)包進(jìn)行校驗(yàn),如果校驗(yàn)和不對(duì),則直接丟掉這個(gè)包。如果校驗(yàn)無誤,則對(duì)收到的包進(jìn)行解復(fù)用。此時(shí)進(jìn)行如下判斷:
if(uip_udp_conn->lport != 0 &&
  UDPBUF->destport == uip_udp_conn->lport &&
  (uip_udp_conn->rport == 0 ||
  UDPBUF->srcport == uip_udp_conn->rport) &&
  (uip_ipaddr_cmp(uip_udp_conn->ripaddr, all_zeroes_addr) ||
uip_ipaddr_cmp(uip_udp_conn->ripaddr, all_ones_addr) ||      uip_ipaddr_cmp(BUF->srcipaddr, uip_udp_conn->ripaddr)))          上述代碼中用到的主要變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)的含義是:
uip_udp_conn->lport:本地UDP的源端口;
uip_udp_conn->rport:本地UDP的目的端口;
UDPBUF->srcport:接收到的數(shù)據(jù)包中的源端口;
UDPBUF->destport:接收到的數(shù)據(jù)包中的目的端口;
uip_udp_conn->ripaddr:本地UDP的目的IP地址;
BUF->srcipaddr:接收到的數(shù)據(jù)包中的源IP地址;
all_zeroes_addr:IP地址0.0.0.0;
all_ones_addr:IP地址255.255.255.255;
    uip_ipaddr_cmp:IP地址比較函數(shù),如果參加比較的兩個(gè)IP地址相等,則返回1。
    在uIP的實(shí)現(xiàn)中,如果以上判斷語句為真,則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理,處理過程包括調(diào)用用戶上層處理程序UIP_UDP_APPCALL()、構(gòu)造新包的包頭、計(jì)算新包的校驗(yàn)和等,然后將構(gòu)造好的返回UDP包送到IP層進(jìn)行處理。
2.2 UDP實(shí)現(xiàn)的不足
    通過對(duì)uIP中UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程的分析可以發(fā)現(xiàn),uIP沒有提供初始化指定端口的函數(shù),僅提供了一個(gè)對(duì)給定IP地址上給定端口建立UDP連接的函數(shù),其原型是struct uip_udp_conn*uip_udp_new(uip_ipaddr_t*ripaddr,u16_t rport)。由于作為服務(wù)端運(yùn)行時(shí)必須指定監(jiān)聽端口[5],而uIP沒有提供此功能,因此要讓uIP作為服務(wù)端運(yùn)行,必須對(duì)uIP進(jìn)行改進(jìn)。
3 uIP中UDP協(xié)議的改進(jìn)
3.1 增加初始化UDP服務(wù)端口

    UDP協(xié)議作為服務(wù)端運(yùn)行時(shí),同TCP一樣,必須在某個(gè)指定端口上監(jiān)聽客戶端是否有數(shù)據(jù)包發(fā)送,如果有則還要接收數(shù)據(jù)包,這就要求在uIP記錄UDP連接的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)uip_udp_conn中設(shè)置本地端口號(hào)一項(xiàng),具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示。


3.2 IP地址、端口號(hào)的判斷及匹配
    uip_process函數(shù)接收到網(wǎng)絡(luò)控制芯片驅(qū)動(dòng)程序送來的數(shù)據(jù)包后,當(dāng)判斷出收到的包是UDP包,執(zhí)行2.1中的判斷并且得到結(jié)果為真后,但還需要再做以下工作:如果uip_udp_conn中的目的端口號(hào)為0,則說明這是一個(gè)來自客戶端的首次與服務(wù)端進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)包,服務(wù)端尚不知道此客戶端的源端口,因此要把uip_udp_conn中的目的端口號(hào)設(shè)為收到的包中的源端口號(hào),把uip_udp_conn中的目的IP地址設(shè)為收到的包中的源IP地址,具體代碼如下:
if(uip_udp_conn->rport==0)
{
    uip_udp_conn->rport=UDPBUF->srcport;                memcpy(uip_udp_conn->ripaddr,UDPBUF->srcipaddr,sizeof(uip_ipaddr_t ));
}
3.3 UDP服務(wù)端目的端口的釋放
    UDP服務(wù)端的端口應(yīng)該可以為來自多個(gè)客戶端的請(qǐng)求提供服務(wù),而UDP本身是一種無連接的傳輸層協(xié)議,因此在每次uIP作為服務(wù)端的UDP通信結(jié)束之后,還要釋放uip_udp_conn中記錄的目的端口號(hào),以便下次接收來自不同IP、不同端口的新請(qǐng)求,否則當(dāng)來自其他端口的請(qǐng)求到達(dá)時(shí),uIP會(huì)不予響應(yīng)。
    在uIP的官方網(wǎng)站上下載到uIP 1.0的源代碼之后,按照本文給出的幾個(gè)步驟對(duì)uIP 1.0進(jìn)行改造之后,利用gcc編譯器把uIP 1.0編譯成S3C2410上的可執(zhí)行代碼,把基于S3C2410的開發(fā)板作為UDP服務(wù)器,運(yùn)行Windows XP的PC機(jī)作為客戶端,兩者通過一條交叉網(wǎng)線相聯(lián),在PC機(jī)上的測試程序發(fā)出UDP請(qǐng)求后,運(yùn)行在S3C2410上的uIP可以對(duì)PC通過UDP協(xié)議發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并給PC作出正確的回復(fù)。實(shí)驗(yàn)證明,通過對(duì)uIP進(jìn)行本文所述的改進(jìn)之后,uIP具有了作為UDP服務(wù)端的能力。
參考文獻(xiàn)
[1] http://www. sics. se/~adam/uip/index. php/Main_Page.
[2] ADAM D. The uIP embedded TCP/IP stack the uIP 1.0 reference manual. June 2006.
[3] ADAM D. Full TCP/IP for 8-bit architectures[C]. In Proceedings of the First International Conference on Mobile Applications, Systems and Services(MOBISYS 2003), San Francisco, May 2003.
[4] ADAM D, OLIVER S, THIEMO V, et al. Protothreads: simplifying event-driven programming of memory-constrained embedded systems[C]. In Proceedings of the Fourth ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2006), Boulder, Colorado, USA, November 2006.
[5] FOROUZAN B A, FEGAN S C著. TCP/ZP協(xié)議簇[M]. 謝希仁等,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2006.

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