uIP中UDP协议实现的改进

摘  要： 关键词： uIP；嵌入式TCP/IP协议栈；UDP；端口
       随着嵌入式技术、网络技术的发展，实现网络互联已经成为嵌入式系统发展的一个必然趋势。在目前的技术条件下，越来越多的嵌入式系统选择了TCP/IP作为与其他计算机系统互联的网络协议。嵌入式TCP/IP协议栈已经成为嵌入式系统研究与应用中的一个重要领域。
     由于嵌入式系统的软硬件资源都较为有限，大多数嵌入式系统中运行的TCP/IP协议栈均根据嵌入式系统的特点进行了相应的裁剪。目前应用比较广泛的嵌入式TCP/IP协议栈有：ucTCP-IP、LWIP、uIP、Linux TCP/IP等。其中uIP是专为8 bit和16 bit的嵌入式微控制器设计的微型TCP/IP协议栈， 它具有良好的互操作性， 并遵循RFC标准。uIP协议栈的特点是具有很小的代码量，运行时需要的内存很少，实现了常用的TCP/IP协议；代码注释详尽，可以用于商业或非商业用途[1]。由于具有上述特点，uIP被广泛应用在嵌入式系统的网络互联中。
1 uIP协议栈的体系结构
     在使用uIP的嵌入式系统的软件体系结构中，uIP协议栈相当于一个代码库，它通过一系列的函数实现与底层硬件和上层应用程序的通信。uIP协议栈与系统底层和上层应用之间的关系如图1所示[2]。
   
       从图1可以看出，uIP协议栈主要提供了uip_input()和uip_periodic()2个函数供系统底层调用。uIP协议栈与应用程序的主要接口是UIP_APPCALL()和UIP_UDP_APPCALL()。
       uIP初始化时调用uip_init()函数，它的主要功能是初始化协议栈的监听端口，并把所有连接设置为关闭状态。当网络控制芯片驱动程序接收到一个数据包时，驱动程序将数据包放入全局缓冲区uip_buf中，同时把包的大小赋给全局变量uip_len。然后uIP的主控部分调用uip_input()函数，该函数将会根据数据包首部的协议标识处理这个包，并在需要时调用上层应用程序。当uip_input()返回时，一个输出数据包被放在同一个全局缓冲区uip_buf中，其大小赋给uip_len。如果uip_len是0，则说明没有包要发送，否则主控部分调用底层系统的发包函数将数据包发送到网络上[3]。
       uIP周期计时用于驱动所有的uIP内部时钟事件。当周期计时激发后，每一个TCP连接都会调用uIP函数uip_periodic()。类似于uip_input()函数，uip_periodic()函数返回时，输出的IP包要放到uip_buf中，供底层系统查询uip_len的大小以决定是否发送。
     由于使用TCP/IP的应用很多，因此应用程序作为单独的模块由用户实现。uIP提供一系列接口供用户程序调用，其中大部分接口是作为C的宏命令出现的，之所以这样做主要是考虑到速度、代码大小、效率和堆栈的使用。用户需要把对网络数据包的处理函数作为接口提供给uIP，并将这个函数定义为宏UIP_APPCALL()或者UIP_UDP_APPCALL()。UIP_APPCALL()是用户对TCP数据包的处理，UIP_UDP_APPCALL()是用户对UDP数据包的处理[4]。这样，uIP在接收到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，直接调用UIP_APPCALL()或者UIP_UDP_APPCALL()即可，无需修改uIP。
2 uIP的UDP协议分析
2.1 UDP协议的实现
     当uIP接收到一个UDP数据包后，首先从包头中取出数据的长度，然后重新对包进行校验，如果校验和不对，则直接丢掉这个包。如果校验无误，则对收到的包进行解复用。此时进行如下判断：
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)))          上述代码中用到的主要变量、数据结构和函数的含义是：
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：接收到的数据包中的源端口；
UDPBUF->destport：接收到的数据包中的目的端口；
uip_udp_conn->ripaddr：本地UDP的目的IP地址；
BUF->srcipaddr：接收到的数据包中的源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地址比较函数，如果参加比较的两个IP地址相等，则返回1。
     在uIP的实现中，如果以上判断语句为真，则对接收到的数据包进行处理，处理过程包括调用用户上层处理程序UIP_UDP_APPCALL()、构造新包的包头、计算新包的校验和等，然后将构造好的返回UDP包送到IP层进行处理。
2.2 UDP实现的不足
     通过对uIP中UDP协议实现过程的分析可以发现，uIP没有提供初始化指定端口的函数，仅提供了一个对给定IP地址上给定端口建立UDP连接的函数，其原型是struct uip_udp_conn*uip_udp_new(uip_ipaddr_t*ripaddr，u16_t rport)。由于作为服务端运行时必须指定监听端口[5]，而uIP没有提供此功能，因此要让uIP作为服务端运行，必须对uIP进行改进。
3 uIP中UDP协议的改进
3.1 增加初始化UDP服务端口
     UDP协议作为服务端运行时，同TCP一样，必须在某个指定端口上监听客户端是否有数据包发送，如果有则还要接收数据包，这就要求在uIP记录UDP连接的数据结构uip_udp_conn中设置本地端口号一项，具体实现步骤如图2所示。
   
   
3.2 IP地址、端口号的判断及匹配
     uip_process函数接收到网络控制芯片驱动程序送来的数据包后，当判断出收到的包是UDP包，执行2.1中的判断并且得到结果为真后，但还需要再做以下工作：如果uip_udp_conn中的目的端口号为0，则说明这是一个来自客户端的首次与服务端进行通信的数据包，服务端尚不知道此客户端的源端口，因此要把uip_udp_conn中的目的端口号设为收到的包中的源端口号，把uip_udp_conn中的目的IP地址设为收到的包中的源IP地址，具体代码如下：
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服务端目的端口的释放
     UDP服务端的端口应该可以为来自多个客户端的请求提供服务，而UDP本身是一种无连接的传输层协议，因此在每次uIP作为服务端的UDP通信结束之后，还要释放uip_udp_conn中记录的目的端口号，以便下次接收来自不同IP、不同端口的新请求，否则当来自其他端口的请求到达时，uIP会不予响应。
     在uIP的官方网站上下载到uIP 1.0的源代码之后，按照本文给出的几个步骤对uIP 1.0进行改造之后，利用gcc编译器把uIP 1.0编译成S3C2410上的可执行代码，把基于S3C2410的开发板作为UDP服务器，运行Windows XP的PC机作为客户端，两者通过一条交叉网线相联，在PC机上的测试程序发出UDP请求后，运行在S3C2410上的uIP可以对PC通过UDP协议发出的数据进行处理，并给PC作出正确的回复。实验证明，通过对uIP进行本文所述的改进之后，uIP具有了作为UDP服务端的能力。
参考文献
[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着. TCP/ZP协议簇[M]. 谢希仁等，译.北京：清华大学出版社，2006.