LWIP实现UDP协议

UDP 协议栈

类型：无连接、面向报文（message-oriented）的传输层协议（IP 之上）。
主要特性：简单、开销小、低延迟、不保证交付、不保证顺序、不重传（需上层处理可靠性）。
头部字段（简要）：源端口、目的端口、长度、校验和。
校验和：IPv4 下 UDP 校验和可选（0 表示不计算），但 IPv6 下强制要求；在 lwIP 源码中有相应的检查/生成分支（你贴的 udp.c 就包含这些判断）。
端口用途：端口用于在同一主机上区分不同应用/服务（0--65535）。规定分区：0--1023（well-known），1024--49151（registered），49152--65535（dynamic/ephemeral）。你贴的 lwIP 代码用默认动态端口范围 0xC000（49152）到 0xFFFF（65535）分配本地端口。

目录（快速跳转）

接收路径（链路、匹配、校验、交付）
发送路径（构造、添加头、校验、路由、下发）
udp_pcb 与 udp_pcbs 链表（bind/connect/recv）
广播/多播与特别处理
pbuf 与内存管理要点
常见问题与调试点（抓包 + 源码断点建议）
关键函数清单（便于查源码）

1. 接收路径（从以太网/IP 到应用）

序列：ethernet_input → ip4_input → udp_input → udp_input 内部匹配/校验 → 回调 recv

要点：

tcpip_thread 上下文：udp_input 在 lwIP core 线程（tcpip_thread）中执行（LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED()）。这保证了 PCB 列表访问的并发安全。见 udp_input() 开头断言。
最小长度检查：p->len < UDP_HLEN 则丢弃（udp_input 起始）。
端口/地址提取：从 UDP 首部取得 src/dest 端口（lwip_ntohs），并用 ip_current_src_addr()/ip_current_dest_addr() 访问当前 IP 层的"全局"来源/目的地址。
本地匹配策略（关键函数：udp_input_local_match）
- 优先选择"完全匹配"（local_port == dest 且 remote_ip/remote_port 已绑定且相符）。
- 若无完全匹配，选择第一个"unconnected but matching local" PCB（uncon_pcb），对于 broadcast/multicast 有额外优先规则。
校验（CHECKSUM_CHECK_UDP）：对匹配到的或目的为本机的包做 UDP 伪首部校验（ip_chksum_pseudo 或 ip_chksum_pseudo_partial）。校验失败会丢弃（并统计）。
pbuf 操作：成功后调用 pbuf_remove_header(p, UDP_HLEN) 将 p->payload 指向 UDP 数据区（注意：函数可能链式 pbuf），然后传给 PCB 的回调：pcb->recv(pcb->recv_arg, pcb, p, ip_current_src_addr(), src)。回调负责释放 pbuf（文档注释）。

行为结果：

找到 pcb 且 pcb->recv != NULL → 将 p 交给回调（上层应用或 netconn/socket 层）。
找不到匹配 pcb → 非广播/组播时发送 ICMP port unreachable（icmp_port_unreach），然后丢弃 pbuf。
SO_REUSE / SO_REUSEADDR 等选项会影响匹配规则（参考 udp_input 中 SO_REUSE 分支）。

2. 发送路径（从应用到网卡）

序列（raw API）：udp_send / udp_sendto → udp_sendto_if_src → 构造 UDP 头（pbuf_add_header）→ 校验/设置 udphdr → ip_output_if_src/ip_output_if → netif->linkoutput（low_level_output）

要点：

绑定检查：若 pcb 未绑定本地端口（pcb->local_port == 0），udp_send 系列会在发送前调用 udp_bind() 自动选择本地端口（udp_new_port）。
pbuf 和头部：如果第一个 pbuf 无法容纳 UDP 首部（q->len < sizeof(struct udp_hdr)），会分配新的头部 pbuf（PBUF_IP, PBUF_RAM）并链入（pbuf_chain）。发送完成后若为单独头部会被释放（函数末尾处理）。
校验（CHECKSUM_GEN_UDP）：计算 UDP 伪首部校验并写入 udphdr->chksum；若结果 0 则置为 0xffff（zero 表示"无校验"）。
源地址选择：在udp_sendto_if_src 中会基于 pcb->local_ip 与 netif 决定 src_ip（IPv4/IPv6/多播有特殊逻辑）。
最终调用：ip_output_if_src(q, src_ip, dst_ip, ttl, tos, IP_PROTO_UDP, netif) 完成路由与 IP 层下发；IP/Netif 层会把 pbuf 发给 netif->linkoutput（如 ethernetif_output），由驱动启动 DMA 发帧。

性能/正确性提示：

为避免额外 pbuf 拷贝，优先让应用提供第一个 pbuf 足够放 UDP/IP 头。
发送时若 netif 为空或路由失败，udp_sendto 返回 ERR_RTE。

3. udp_pcb 与 udp_pcbs 链表（管理、bind、connect、recv）

数据结构：struct udp_pcb（定义在 udp.h）包含 IP_PCB（local_ip/remote_ip 等）、local_port、remote_port、flags、recv 回调和 next 指针。全局头：udp_pcbs（链表头）。

常用 API：

udp_new() / udp_new_ip_type()：分配 PCB（memp_malloc）。
udp_bind(pcb, ipaddr, port)：绑定本地 IP/端口并将 pcb 插入 udp_pcbs 列表（检查重复绑定）。
udp_connect(pcb, ipaddr, port)：设置远端地址/端口（并将 pcb 插入 udp_pcbs）。connect 会使 pcb 变为"已连接"，之后可以用 udp_send() 省略目标地址参数。
udp_recv(pcb, recv_fn, recv_arg)：注册接收回调。回调原型：void (*udp_recv_fn)(void *arg, struct udp_pcb *pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port); 回调负责释放 pbuf。
udp_remove(pcb)：删除并释放 PCB。
匹配行为总结（udp_input 内）：
遍历 udp_pcbs，优先完全匹配（local_port + remote_port + remote_ip）；否则选择第一个匹配 local_port 的"unconnected" pcb（uncon_pcb）。对广播/多播和 SO_REUSE 有额外逻辑。

4. 广播 / 多播 / ICMP 处理

广播：IP 广播 + MAC 广播二者共同作用，udp_input 会检测 broadcast = ip_addr_isbroadcast(...)，并在匹配时考虑 SOF_BROADCAST 选项（IP_SOF_BROADCAST_RECV）。
多播：若 pcb 注册了 multicast loop/ifindex 等，会在发送时设置 PBUF_FLAG_MCASTLOOP 并选择合适 netif。接收时基于目的地址做匹配。
未找到 PCB：除广播/多播情况外，udp_input 会触发 icmp_port_unreach() 给发送端发送 ICMP Port Unreachable。
广播由两层共同实现：IP 层决定"逻辑上要广播"（目的 IP 如 255.255.255.255 或子网广播地址），链路层把以太网目的 MAC 置为 ff:ff:ff:ff:ff:ff 以实现物理广播。lwIP 在 udp_input/udp_send 系统里处理这些逻辑。
发送广播：
- 使用 sockets API：必须允许广播（setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, ...)），然后 sendto() 到广播 IP（或子网广播 IP）。
- 使用 lwIP raw/netconn：需要设置相应的 PCB 选项以允许广播（源码中有关 SOF_BROADCAST / IP_SOF_BROADCAST 的检查），然后调用 udp_sendto/udp_sendto_if。
- 发送时，udp_sendto_if_src 中会检测目标是否为广播并要求 PCB 具有广播权限（否则返回错误）。
接收广播：
- 将 UDP PCB 绑定到合适的本地端口/IP（INADDR_ANY 通常能接收广播），并注册回调（udp_recv）或使用 socket/netconn；udp_input 会识别 broadcast 并在匹配时考虑广播规则（包括 SO_REUSE / SO_REUSEADDR 等）。
- 网卡/驱动与交换机必须允许广播帧（有些硬件/过滤规则会丢弃广播）。
额外注意：
- 检查 lwIP 配置项（如 IP_SOF_BROADCAST_RECV / IP_SOF_BROADCAST）和是否开启 IPv4 支持。
- 广播受路由器限制：本地子网内有效，定向广播可能被路由器阻断。
- IPv6 无广播，仅用多播。
简短示例（sockets）：

c 复制代码

int on = 1;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &on, sizeof(on));
struct sockaddr_in dst;
dst.sin_family = AF_INET;
dst.sin_port = htons(12345);
dst.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.255"); // 或 "255.255.255.255"
sendto(fd, buf, len, 0, (struct sockaddr*)&dst, sizeof(dst));

5. pbuf 内存管理（接收端与发送端须知）

接收端：udp_input 在把 p 交给 pcb->recv 后不再释放 p；回调必须负责 pbuf_free§ 或 pbuf_chain 的管理（文档注释）。因此：
- 如果上层复制数据（例如把 p 数据复制到用户 buffer），回调仍需 free。
- 若上层要延长 p 使用（异步处理），必须增加引用或把 p 换成 pbuf_clone（避免后续释放导致悬指针）。
发送端：udp_send 系列在需要时会为头部分配临时 pbuf（q）。发送成功/返回前会释放头部 pbuf（若有），而原始 pbuf 由调用者负责（udp_send 不 free 传入 p）。

6. 常见问题与调试点（抓包 + 源码断点）

抓包显示到达但应用未收到：断点 tcpip_thread 中调用 ethernet_input → udp_input，检查 pcb 是否匹配（端口/地址/netif），并确认 pcb->recv 已注册。
pbuf 在回调后未释放导致内存泄漏：定位回调函数（udp_recv 注册点或 socket/netconn 层）是否未调用 pbuf_free 或未传递给 netconn。
ICMP port unreachable：说明到达主机但没有可匹配的 pcb，检查绑定的端口与地址（udp_bind）与 SO_REUSE 设置。
校验失败丢弃：开启 UDP Debug 或在 udp_input 中查看 CHECKSUM_CHECK_UDP 路径，注意网卡是否做了校验卸载（硬件可能已校验，软件应跳过）。
发送失败 ERR_RTE：在 udp_sendto_if 中断点检查 ip_route 返回值与 netif 是否为 NULL。

建议断点位置：

接收链：tcpip_thread → ethernet_input → ip4_input → udp_input（在匹配环节设置断点）
发送链：调用点 udp_sendto_if_src → pbuf_add_header / ip_chksum_pseudo → ip_output_if_src → netif->output
PCB 管理：udp_bind / udp_connect / udp_remove / udp_recv

7. 关键源码函数索引（快速跳转）

接收与分发：ethernet_input → ip4_input / ip6_input → udp_input → udp_input_local_match → pcb->recv 回调
发送：udp_send / udp_sendto / udp_sendto_if / udp_sendto_if_src → ip_output_if_src → netif->linkoutput
PCB 管理：udp_new / udp_bind / udp_connect / udp_recv / udp_remove
校验与 pbuf：ip_chksum_pseudo / pbuf_remove_header / pbuf_add_header / pbuf_chain

8. 示例序列（Mermaid，接收与发送）

NIC_ISR / DMA ethernetif_input tcpip_input tcpip_thread ethernet_input ip4_input udp_input 应用回调 (udp_recv) xSemaphoreGiveFromISR 唤醒接收任务 low_level_input() 构造 pbuf netif->>input(p) (tcpip_input) 投递消息 ethernet_input(p) pbuf_remove_header() ip4_input(p) dispatch 到 udp_input(p) 匹配 pcb、校验、pbuf_remove_header(UDP_HLEN) pcb->>recv(..., p, src) 处理并 pbuf_free(p) NIC_ISR / DMA ethernetif_input tcpip_input tcpip_thread ethernet_input ip4_input udp_input 应用回调 (udp_recv)

9. 结论

UDP 在 lwIP 中是基于 pcb 链表进行端口/地址匹配，收到数据即交给注册的 recv 回调，回调负责释放 pbuf。
发送端要注意 pbuf 布局（首 pbuf 是否能放 header）与源地址选择；udp_send 不会自动释放传入的 pbuf。
调试重点是"pcb 是否存在/匹配"，"pbuf 是否被回调释放"，"路由是否成功/NETIF 是否可用"，以及"硬件是否做了校验卸载"。

10. 参考（源码文件）

src/core/udp.c（udp_input、udp_sendto_if_src、udp_bind、udp_recv 等实现）
include/lwip/udp.h（struct udp_pcb 定义与 API）
src/core/ip.c / ip4.c（ip 层与路由）
netif 驱动（ethernetif.c）和 tcpip.c（tcpip_thread / tcpip_input）