摘  要： uIP作為一種廣泛使用的輕量級嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，其UDP協(xié)議的實現(xiàn)還不夠完善,，目前最新的1.0版本中僅實現(xiàn)了UDP客戶端,，尚沒有實現(xiàn)UDP服務(wù)端。為此,，對其進行了以下三方面的改進：UDP服務(wù)端口的初始化,；接收到UDP客戶端數(shù)據(jù)包后的端口號判斷及匹配；UDP服務(wù)端發(fā)送報文后目的端口的釋放,。經(jīng)過以上改進后,，實驗證明，uIP 1.0中的UDP實現(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)展的一個必然趨勢,。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作為與其他計算機系統(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)中運行的TCP/IP協(xié)議棧均根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點進行了相應(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)計的微型TCP/IP協(xié)議棧,， 它具有良好的互操作性,， 并遵循RFC標準。uIP協(xié)議棧的特點是具有很小的代碼量,，運行時需要的內(nèi)存很少,，實現(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，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)于一個代碼庫，它通過一系列的函數(shù)實現(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)動程序接收到一個數(shù)據(jù)包時，驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)包放入全局緩沖區(qū)uip_buf中,，同時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)將會根據(jù)數(shù)據(jù)包首部的協(xié)議標識處理這個包,，并在需要時調(diào)用上層應(yīng)用程序,。當(dāng)uip_input()返回時，一個輸出數(shù)據(jù)包被放在同一個全局緩沖區(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周期計時用于驅(qū)動所有的uIP內(nèi)部時鐘事件。當(dāng)周期計時激發(fā)后,，每一個TCP連接都會調(diào)用uIP函數(shù)uip_periodic(),。類似于uip_input()函數(shù)，uip_periodic()函數(shù)返回時,，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)用程序作為單獨的模塊由用戶實現(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,，并將這個函數(shù)定義為宏UIP_APPCALL()或者UIP_UDP_APPCALL(),。UIP_APPCALL()是用戶對TCP數(shù)據(jù)包的處理,，UIP_UDP_APPCALL()是用戶對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)議的實現(xiàn)
    當(dāng)uIP接收到一個UDP數(shù)據(jù)包后,，首先從包頭中取出數(shù)據(jù)的長度，然后重新對包進行校驗,，如果校驗和不對,，則直接丟掉這個包。如果校驗無誤,，則對收到的包進行解復(fù)用,。此時進行如下判斷：
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IP地址相等,，則返回1,。
    在uIP的實現(xiàn)中,，如果以上判斷語句為真，則對接收到的數(shù)據(jù)包進行處理,，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、計算新包的校驗和等,，然后將構(gòu)造好的返回UDP包送到IP層進行處理,。
2.2 UDP實現(xiàn)的不足
    通過對uIP中UDP協(xié)議實現(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),，僅提供了一個對給定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)端運行時必須指定監(jiān)聽端口[5],，而uIP沒有提供此功能，因此要讓uIP作為服務(wù)端運行,，必須對uIP進行改進,。
3 uIP中UDP協(xié)議的改進
3.1 增加初始化UDP服務(wù)端口
    UDP協(xié)議作為服務(wù)端運行時，同TCP一樣,，必須在某個指定端口上監(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)置本地端口號一項,，具體實現(xiàn)步驟如圖2所示,。

3.2 IP地址、端口號的判斷及匹配
    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中的目的端口號為0,，則說明這是一個來自客戶端的首次與服務(wù)端進行通信的數(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中的目的端口號設(shè)為收到的包中的源端口號,，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)該可以為來自多個客戶端的請求提供服務(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，以便下次接收來自不同IP,、不同端口的新請求,，否則當(dāng)來自其他端口的請求到達時，uIP會不予響應(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步驟對uIP 1.0進行改造之后，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,，運行Windows XP的PC機作為客戶端，兩者通過一條交叉網(wǎng)線相聯(lián),，在PC機上的測試程序發(fā)出UDP請求后,，運行在S3C2410上的uIP可以對PC通過UDP協(xié)議發(fā)出的數(shù)據(jù)進行處理，并給PC作出正確的回復(fù),。實驗證明,，通過對uIP進行本文所述的改進之后，uIP具有了作為UDP服務(wù)端的能力,。
參考文獻
[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.