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UDP协议报文分析和主动发送UDP简单实现

• 前言
• 一、Wireshark 报文解析

• 1、UDP报文实例
• 2、报文格式分析

• ①、以太网头
• ②、IP头
• ③、UDP头

• 二、UDP主动传输数据的实现方式

• 1、说明
• 2、发送UDP前的约定
• 3、ARP报文
• 4、UDPIP报文

• 三、UDP报文校验

• 1、IP校验和计算
• 2、UDP校验和计算

前言

用 Wireshark 简单分析UDP报文解析，学习UDP报文的解析。在需要编写底层UDP报文的环境下（单片机等），简单编排UDP报文达到主动传输的目的。

一、Wireshark 报文解析

1、UDP报文实例

  

2、报文格式分析

一帧UDP报文由四个部分组成：以太网头、IP头、UDP头、数据。

帧头	帧数据含义	对应报文（HEX）	位数
以太网头	目标MAC地址	00:aa:00:00:00:7b	6*8
	源MAC地址	e0:db:55:f8:d1:e5	6*8
	协议类型	08 00	2*8
IP头	IP协议版本	4	4
	IP头长度	5	4
	服务类型TOS	00	8
	报文总长度（IP报文开始）	00 21	2*8
	标识符（序号）	c2 a1	2*8
	标志位	00 00	2*8
	帧存活周期TTL	40	8
	数据协议	11	8
	IP校验和	32 50	2*8
	源IP地址	c0 a8 02 0f	4*8
	目标IP地址	c0 a8 02 7b	4*8
UDP头	源端口号	2c ee	2*8
	目标端口号	01 f6	2*8
	报文总长度（UDP报文开始）	00 0d	2*8
	UDP校验和	17 f3	2*8
数据帧	传输数据	11 11 11 11 11	n*8

①、以太网头

  以太网头使用两种标准帧格式。第一种是上世纪80年代初提出的DIXv2格式，即EthernetII帧格式。EthernetII后来被IEEE802标准接纳，并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。普通情况下使用EthernetII帧格式更简单便捷。

  报文中 Type 为" 08 00 "表示后续报文的协议为IP协议帧，若 Type 为"08 06 "表示后续报文为ARP帧。

  

②、IP头

若为主动发送的UDP报文，IP头中开头的“45 00”以及“00 00 40 11”可以不用修改，主要修改其他数据。其中“40”表示帧存活时间为64秒，“11”表示后续协议为UDP协议。
  IP头的数据帧主要修改的部分为：IP头开始的数据长度、标识符id、IP校验、对端IP、本机IP。
  数据长度：IP头的长度+后续报文长度。例如实例中的报文长度为0x0021（33），即IP头长度20、UDP头长度8和数据长度5相加（20+8+5）而来。
  标识符ID：可以理解为报文的编号，一般是由上一帧的标识符计算加一。
  对端IP：目标IP地址。
  本机IP：本机IP地址。
  

③、UDP头

UDP头的数据帧主要注意UDP校验和的计算方式，需要同时计算UDP伪首部。

二、UDP主动传输数据的实现方式

1、说明

以下方法的测试环境是在局域网内，且无其他设备同时连接的环境下实现的，仅用与点对点的传输方式。

2、发送UDP前的约定

在发送UDP报文前，想要对端设备收到UDP报文，就必须知道对端的设备部分信息：目标MAC地址、目标IP地址、目标端口号。其中目标IP地址和目标端口号可以在约定后直接进行绑定，但目标MAC地址在很多情况下无法直接得出，且在对端设备更换后会随着变动。此时，我们可以用ARP协议获取MAC地址。

3、ARP报文

ARP（Address Resolution Protocol）,地址解析协议，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

  在发送UDP报文前，可以先发送一帧ARP报文请求，报文需要修改的部分为：本机MAC地址（30:3a:64:9f:32:06）、本机IP（0xc0a8 0067）、目标IP（0xc0a8 0065），其他部分可以参照图中请求报文的数据直接写死。报文中 06 04 后的两个字节是Opcode, 00 01 表示ARP请求报文，若为 00 02 表示应答报文。

  发送ARP报文后会收到ARP的回复报文，回复报文中包含目标IP地址和MAC地址，和本机的IP地址和MAC地址，可以在确认ARP回复报文的目标IP为本机IP后，再将该MAC地址缓存，取得需要的MAC地址为（3e:c8:be:6e:f4:06）。

  ARP报文举例，如图所示：

  请求报文：

  应答报文：

4、UDPIP报文

通过ARP报文获取到对端MAC地址后，就可以开始编辑发送UDP报文了。
  （1）编写以太网头部。 写入目标MAC地址（00:aa:00:00:00:7b）、本机MAC地址（e0:db:55:f8:d1:e5）、Type（0x08 00）。
  （2）将IP头的数据长度、IP校验和的四个字节置为0，先填充的IP头部的其他位。 写入IP版本以及长度（0x45）、区分服务领域（0x00）、ID号（0xc2 a1）、标志位Flags（0x00）、ttl（0x40）、协议号（0x11）、本机IP地址（0xc0 a8 02 0f）、目标IP地址（0xc0 a8 02 7b）。
  （3）将UDP头的数据长度、IP校验和的四个字节置为0，先填充的UDP头部的其他位。 写入本机源端口（0x2c ee）、目标端口（0x01 f6）、ID号（0x00 00）。
  （4）填充UDP需要传输的数据。 在UDP报文头之后写入需要传输的数据（0x11 11 11 11 11）。
  （5）根据传输的数据长度，填充IP头中的总长度（0x00 21）。 该长度计算方式为：IP头报文长度20 + UDP报文头长度8 + 数据长度5 = 33。
  （6）根据传输的数据长度，填充UDP头中的总长度（0x00 0d）。 该长度计算方式为：UDP报文头长度8 + 数据长度5 = 13。
  （7）根据IP头报文已填充数据，计算校验和，填充IP头中的校验位（0x32 50）。
  （7）根据IP头和UDP头报文已填充数据，计算校验和，填充UDP头中的校验位（0x17 f3）。

三、UDP报文校验

1、IP校验和计算

对IP报文头从首部开始以16bit为单位求和，将计算结果溢出16bit的部分加在低16bit上，取反。
  忽略校验位数据，将上述实例报文的IP头从首部开始以16bit为单位拆分后，得到一组数据：0x4500，0x0021，0xC2A1，0x0000，0x4011，0xC0A8，0x020F，0xC0A8，0x027B。
  将上述拆分的16bit数据累加：   0x4500+0x0021+0xC2A1+0x0000+0x4011+0xC0A8+0x020F+0xC0A8+0x027B=0x2 CDAD;
  将上结果的高16位加在低16位数据得到：0xCDAF;
  将得到的0xCDAF作位取反得：0x3250。
简单代码段如下：

/*sendbuf[]是要发送的报文，计算前要先填充其他数据*/
static u16_t
ipchksum()
{
  u16_t i,index=14; //从sendbuf[14]开始计算，即IP头开始位置。
  u32_t sum=0;

  for(i=0;i<5;i++){
	  sum+=((u16_t)sendbuf[index]<<8)+sendbuf[index+1];
	  index+=2;
  }
  index+=2;
  for(i=0;i<4;i++){
	  sum+=((u16_t)sendbuf[index]<<8)+sendbuf[index+1];
	  index+=2;
  }

  sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);

  return (~sum & 0xffff);
}

2、UDP校验和计算

对UDP报文头从首部开始以16bit为单位求和，求和时包含后续所有数据以及UDP伪首部数据；将计算结果溢出16bit的部分加在低16bit上，取反。
  （1）先计算伪首部，伪首部由四部分组成：源地址（0xc0a8,0x020f）、目的地址（0xc0a8,0x027b）、UDP数据长度（0x000d）、协议类型（0x0011）。将UDP伪首部以16位求和得到（0x0001 85F8）。
  （2）再计算UDP头部报文，由四部分组成：源端口（0x2cee）、目标端口（0x01f6）、UDP数据长度（0x000d）、数据（0x1111、0x1111、0x1100）。以16位求和得到（0x6213）。这里要注意的是数据结尾如果为单数，需要在低8位填充0x00，而不是高八位填充，即0x11填充为0x1100再求和。
  （3）将UDP的伪首部和与UDP头部和求和（0x1 85f8 + 0x6213）；将计算结果的高16位加到低16位得到（0xe80c）；进行取反运算，得到最终UDP校验和0x17f3。

简单代码段如下。

/*sendbuf[]是要发送的报文，计算前要先填充其他数据*/
static u16_t
udpchksum(u16_t datalen)
{
  u16_t i,index=26;
  u32_t sum=0;

  sum = 0x11; //计算伪首部
  for(i=0;i<7;i++){
	  sum+=((u16_t)sendbuf[index]<<8)+sendbuf[index+1];
	  index+=2;
  }
  index-=2;
  sum+=((u16_t)sendbuf[index]<<8)+sendbuf[index+1];
  index+=4;

  for(i=0;i<(datalen/2);i++){
	  sum+=((u16_t)sendbbf[index]<<8)+sendbuf[index+1];
	  index+=2;
  }
  if(datalen%2){
      sum+=((u16_t)sendbbf[index]<<8);
  }
  
  sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);

  return (~sum & 0xffff);
}