UDP協(xié)議源碼分析
UDP協(xié)議是 User Datagram Protocol 的簡稱， 中文名是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是OSI（Open System Interconnection，開放式系統(tǒng)互聯(lián)） 參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務，位于?TCP/IP協(xié)議?模型的?傳輸層，如下圖：
也就是說?UDP協(xié)議?是建立中?IP協(xié)議（網(wǎng)絡層）之上的，IP協(xié)議?用于區(qū)分網(wǎng)絡上不同的主機（IP協(xié)議源碼分析），而?UDP協(xié)議?用于區(qū)分同一臺主機上不同的進程發(fā)送（接收）的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，如下圖所示：
從上圖可以看出，UDP協(xié)議?通過?端口號?來區(qū)分不同進程的數(shù)據(jù)包。
UDP協(xié)議頭
下面我們來看看?UDP協(xié)議?的協(xié)議頭部，如下圖所示：
從上圖可知，UDP頭部?由四個字段組成：源端口、目標端口、數(shù)據(jù)包長度?和?校驗和。
源端口?用于指示本機的進程，而?目標端口?用于指示遠端的進程。數(shù)據(jù)包長度?表示這個 UDP 數(shù)據(jù)包總長度（包括UDP頭部和 數(shù)據(jù)長度），而?校驗和?用于校驗數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)倪^程中是否損壞了。
下面我們看看?UDP頭部?在內(nèi)核中的表示方式，如下代碼：
struct udphdr {__u16 source; // 源端口__u16 dest; // 目標端口__u16 len; // 數(shù)據(jù)包長度__u16 check; // 校驗和};
可以看出，udphdr?結構的字段與?UDP頭部?結構圖中的字段一一對應。最后，我們來看看?UDP頭部?在數(shù)據(jù)包的具體位置，如下圖：
下面我們主要通過 UDP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收兩個過程來分析 UDP 在內(nèi)核中的實現(xiàn)原理。
UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送
數(shù)據(jù)的發(fā)送是由應用層調用?send()?或者?write()?系統(tǒng)調用，將數(shù)據(jù)傳遞到傳輸層協(xié)議處理，如下圖：
從上圖可以看出，用戶態(tài)?的應用程序調用?send()?系統(tǒng)調用時會觸發(fā)調用?內(nèi)核態(tài)?的?sys_send()?內(nèi)核函數(shù)，而?sys_send()?最終會調用?inet_sendmsg()?函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
inet_sendmsg()?函數(shù)會根據(jù)用戶使用的傳輸層協(xié)議選擇不同的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，比如 UDP 協(xié)議就會使用?udp_sendmsg()?函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
我們來分析一下 UDP 協(xié)議的發(fā)送接口?udp_sendmsg()?函數(shù)的實現(xiàn)，代碼如下（由于?udp_sendmsg()?函數(shù)的實現(xiàn)比較復雜，所以我們分段分析）：
int udp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, int len){int ulen = len + sizeof(struct udphdr);struct ipcm_cookie ipc;struct udpfakehdr ufh;struct rtable *rt = NULL;int free = 0;int connected = 0;u32 daddr;u8 tos;int err;
udp_sendmsg()?函數(shù)的參數(shù)含義如下：
sk：Socket 對象。msg：要發(fā)送的數(shù)據(jù)實體，其類型為?msghdr?結構。len：要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。
上面的代碼主要定義了一些局部變量，如：
ulen?變量就是要發(fā)送的數(shù)據(jù)總長度（UDP頭部長度和數(shù)據(jù)長度之和）。rt?變量表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚尚畔ⅲ漕愋蜑?rtable?結構。ufh?變量是調用 IP 層?ip_build_xmit()?函數(shù)時的上下文，主要用于構建?UDP協(xié)議頭部?，其類型為?udpfakehdr?結構。
我們接口分析?udp_sendmsg()?函數(shù)：
// 是否提供了接收數(shù)據(jù)的目標IP地址和端口if (msg->msg_name) {// 接收數(shù)據(jù)的目標IP地址和端口struct sockaddr_in *usin = (struct sockaddr_in*)msg->msg_name;if (msg->msg_namelen < sizeof(*usin))return -EINVAL;if (usin->sin_family != AF_INET) {if (usin->sin_family != AF_UNSPEC)return -EINVAL;}// 設置接收數(shù)據(jù)的目標IP地址和端口ufh.daddr = usin->sin_addr.s_addr;ufh.uh.dest = usin->sin_port;if (ufh.uh.dest == 0)return -EINVAL;} else {if (sk->state != TCP_ESTABLISHED)return -ENOTCONN;ufh.daddr = sk->daddr; // 使用綁定Socket的IP地址ufh.uh.dest = sk->dport; // 使用綁定Socket的端口connected = 1;}
上面的代碼主要完成以下幾個工作：
如果用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時提供了目標 IP 地址和端口，就把用戶提供的目標 IP 地址和端口復制到?
ufh?變量中。否則就把綁定到 Socket 對象的目標 IP 地址和端口復制到?
ufh?變量中，并且設置?connected?變量為 1。
我們繼續(xù)分析?udp_sendmsg()?函數(shù)，代碼如下：
if (connected)rt = (struct rtable*)sk_dst_check(sk, 0); // 獲取路由信息對象緩存if (rt == NULL) { // 如果路由信息對象還沒被緩存// 調用 ip_route_output() 函數(shù)獲取路由信息對象err = ip_route_output(&rt, daddr, ufh.saddr, tos, ipc.oif);if (err)goto out;err = -EACCES;if (rt->rt_flags & RTCF_BROADCAST && !sk->broadcast)goto out;if (connected)sk_dst_set(sk, dst_clone(&rt->u.dst)); // 設置路由信息對象緩存}
上面的代碼比較簡單，首先調用?sk_dst_check()?查看?路由信息對象?是否被緩存，如果已經(jīng)緩存，那么直接使用此?路由信息對象。否則調用?ip_route_output()?函數(shù)獲取?路由信息對象，并且調用?sk_dst_set()?設置?路由信息對象?緩存。
路由信息對象?指明數(shù)據(jù)在傳送過程的?下一跳?主機的信息（通常為網(wǎng)關），有了?下一跳?主機的信息，就可以把數(shù)據(jù)轉發(fā)給?下一跳?主機，然后由?下一跳?主機繼續(xù)完成發(fā)送工作。
我們繼續(xù)分析?udp_sendmsg()?函數(shù)，代碼如下：
ufh.saddr = rt->rt_src; // 設置源IP地址if (!ipc.addr) // 如果沒有提供目標IP地址，使用路由信息的目標IP地址ufh.daddr = ipc.addr = rt->rt_dst;ufh.uh.len = htons(ulen);ufh.uh.check = 0;ufh.iov = msg->msg_iov;ufh.wcheck = 0;// 構建MAC頭部、IP頭部和UDP頭部并且下發(fā)給IP協(xié)議層err = ip_build_xmit(sk, (sk->no_check == UDP_CSUM_NOXMIT? udp_getfrag_nosum: udp_getfrag),&ufh, ulen, &ipc, rt, msg->msg_flags);out:ip_rt_put(rt);...return err;}
上面的代碼主要把?路由信息對象?的源IP地址復制到?ufh?變量中，然后調用?ip_build_xmit()?函數(shù)完成數(shù)據(jù)發(fā)送的后續(xù)工作。ip_build_xmit()?函數(shù)的第一個參數(shù)用于復制?UDP頭部?和負載數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)包的函數(shù)指針，IP 層通過調用此函數(shù)把?UDP頭部?和負載數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)包中。
ip_build_xmit()?函數(shù)是 IP 協(xié)議層的實現(xiàn)，這里就不作說明，可以參考此文章：IP協(xié)議源碼分析。
總的來說，udp_sendmsg()?函數(shù)的主要工作就是為要發(fā)送的數(shù)據(jù)包構建?UDP頭部，然后把數(shù)據(jù)包交由 IP 層完成接下來的發(fā)送操作，所以?UDP協(xié)議?的發(fā)送過程比較簡單。
UDP數(shù)據(jù)包接收
當網(wǎng)卡設備接收到數(shù)據(jù)包后，會交由內(nèi)核協(xié)議棧處理。內(nèi)核協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包的處理是由下至上，如下圖所示：
也就是說，物理層處理完數(shù)據(jù)包后會交由鏈路層處理，而鏈路層處理完交由網(wǎng)絡層處理，以此類推。
所以當網(wǎng)絡層（IP協(xié)議）處理完數(shù)據(jù)包后，會交由傳輸層處理，在本文中介紹的傳輸層協(xié)議是?UDP協(xié)議，所以這里主要介紹的是?UDP協(xié)議?對數(shù)據(jù)包的處理過程。
當 IP 協(xié)議層處理完數(shù)據(jù)包后，如果 IP 頭部的上層協(xié)議字段（protocol?字段）指明的是?UDP協(xié)議，那么就會調用?udp_rcv()?函數(shù)處理數(shù)據(jù)包。下面我們來分析一下?udp_rcv()?函數(shù)的實現(xiàn)，代碼如下：
int udp_rcv(struct sk_buff *skb, unsigned short len){struct sock *sk;struct udphdr *uh;unsigned short ulen;struct rtable *rt = (struct rtable*)skb->dst; // 路由信息對象u32 saddr = skb->nh.iph->saddr; // 遠端IP地址(源IP地址)u32 daddr = skb->nh.iph->daddr; // 本地IP地址(目標IP地址)uh = skb->h.uh; // UDP頭部...// 根據(jù)目標端口獲取對用的 Socket 對象sk = udp_v4_lookup(saddr, uh->source, daddr, uh->dest, skb->dev->ifindex);if (sk != NULL) {udp_queue_rcv_skb(sk, skb); // 把數(shù)據(jù)包添加到Socket對象的receive_queue隊列中sock_put(sk);return 0;}...}
udp_rcv()?函數(shù)主要完成兩個工作：
調用?
udp_v4_lookup()?函數(shù)獲取目標端口對應的?Socket?對象。調用?
udp_queue_rcv_skb()?函數(shù)把數(shù)據(jù)包添加到?Socket?對象的?receive_queue?隊列中。
UDP協(xié)議?使用了一個名為?udp_hash?的哈希表來保存所有綁定了端口的?Socket?對象，當應用程序調用?bind()?系統(tǒng)調用為?Socket?對象綁定端口時，就會將此?Socket?對象添加到?udp_hash?哈希表中。
而?udp_v4_lookup()?函數(shù)就是根據(jù)目標端口從?udp_hash?哈希表中獲取對應的?Socket?對象，udp_v4_lookup()?函數(shù)實現(xiàn)如下：
__inline__ struct sock *udp_v4_lookup(u32 saddr, u16 sport, u32 daddr, u16 dport, int dif){struct sock *sk;read_lock(&udp_hash_lock); // 為udp_hash哈希表上鎖sk = udp_v4_lookup_longway(saddr, sport, daddr, dport, dif);if (sk)sock_hold(sk);read_unlock(&udp_hash_lock);return sk;}
udp_v4_lookup()?函數(shù)首先為?udp_hash?哈希表上鎖，然后調用?udp_v4_lookup_longway()?函數(shù)從?udp_hash?哈希表中獲取對應目標端口的?Socket?對象，udp_v4_lookup_longway()?函數(shù)的實現(xiàn)如下：
struct sock *udp_v4_lookup_longway(u32 saddr, // 源IP地址(遠端IP地址)u16 sport, // 源端口(遠端端口)u32 daddr, // 目標IP地址(本地IP地址)u16 dport, // 目標端口(本地端口)int dif){struct sock *sk, *result = NULL;unsigned short hnum = ntohs(dport);int badness = -1;// 根據(jù)目標端口從 udp_hash 哈希表中獲取對應的 Socket 對象for (sk = udp_hash[hnum&(UDP_HTABLE_SIZE - 1)]; sk != NULL; sk = sk->next) {if (sk->num == hnum) { // 對比目標端口是否匹配int score = 0;if (sk->rcv_saddr) { // 如果Socket設置了固定的本地接收IPif(sk->rcv_saddr != daddr) // 對比目標IP地址是否匹配continue;score++;}if (sk->daddr) { // 如果Socket設置了固定的遠端接收IPif(sk->daddr != saddr) // 對比源IP地址是否匹配continue;score++;}if (sk->dport) { // 如果Socket設置了固定的遠端接收端口if(sk->dport != sport) // 對比源端口是否匹配continue;score++;}if (sk->bound_dev_if) { // 如果Socket設置了固定的接收網(wǎng)絡設備if(sk->bound_dev_if != dif) // 對比接收設備是否匹配continue;score++;}if (score == 4) { // 完美匹配, 那么直接返回即可result = sk;break;} else if(score > badness) { // 否則使用分數(shù)最高的Socket對象result = sk;badness = score;}}}return result;}
udp_v4_lookup_longway()?函數(shù)的主要邏輯就是根據(jù)目標端口從?udp_hash?哈希表中獲取對應的?Socket?對象。
由于同一個端口有可能綁定了多個?Socket?對象，所以?udp_v4_lookup_longway()?函數(shù)查找?Socket?對象時使用了最優(yōu)匹配，也就是說除了匹配目標端口外，還可能會匹配源 IP 地址、源端口和目標 IP 地址等。
找到目標端口對應的?Socket?對象后，就可以調用?udp_queue_rcv_skb()?函數(shù)把數(shù)據(jù)包添加到?Socket?對象的?receive_queue?隊列中，udp_queue_rcv_skb()?函數(shù)實現(xiàn)如下：
static int udp_queue_rcv_skb(struct sock * sk, struct sk_buff *skb){...if (sock_queue_rcv_skb(sk, skb) < 0) {...return -1;}return 0;}
從上面代碼可以看出，udp_queue_rcv_skb()?函數(shù)最終會調用?sock_queue_rcv_skb()?函數(shù)完成任務，所以我們來分析一下?sock_queue_rcv_skb()?函數(shù)的實現(xiàn)，代碼如下：
static inline int sock_queue_rcv_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb){...// 把數(shù)據(jù)包添加到Socket對象的receive_queue隊列skb_queue_tail(&sk->receive_queue, skb);if (!sk->dead)sk->data_ready(sk, skb->len); // 喚醒等待Socket對象就緒的進程return 0;}
sock_queue_rcv_skb()?通過調用?skb_queue_tail()?函數(shù)把?skb?數(shù)據(jù)包添加到?Socket?對象的?receive_queue?隊列中，并且喚醒等待?Socket?對象就緒的進程。
當把數(shù)據(jù)包添加到?Socket?對象的?receive_queue?隊列后，UDP協(xié)議?的接收工作就此完畢。