udphdr结构体使用

udphdr（UDP Header）结构体在网络编程中扮演着至关重要的角色，特别是在需要直接操作UDP报文的低层网络应用中。为了更好地理解和应用udphdr，本文将从以下几个方面进行详细讲解：

udphdr 结构体的完整定义
详细的使用方法
错误处理和调试
使用时的注意事项和最佳实践
实例分析

1. `udphdr` 结构体的完整定义

在大多数Unix-like操作系统中，udphdr结构体定义在<netinet/udp.h>头文件中。以下是其典型定义：

#include <netinet/in.h>

struct udphdr {
    __be16 source;   // 源端口号
    __be16 dest;     // 目标端口号
    __be16 len;      // UDP报文长度
    __sum16 check;   // 校验和
};

字段解释

source（源端口号）
- 类型：__be16（16位大端字节序）
- 描述：发送端的端口号，用于标识发送进程或应用程序。
dest（目标端口号）
- 类型：__be16（16位大端字节序）
- 描述：接收端的端口号，用于标识接收进程或应用程序。
len（UDP报文长度）
- 类型：__be16（16位大端字节序）
- 描述：整个UDP报文的长度，包括UDP头部和数据部分。最小值为8字节（仅头部），最大值为65535字节。
check（校验和）
- 类型：__sum16（16位校验和）
- 描述：用于错误检测，覆盖UDP头部、数据部分以及伪头部（包括源IP、目标IP、协议类型和UDP长度）。接收端通过计算校验和来验证数据的完整性。此字段可以设置为0，表示不使用校验和，但建议启用以确保数据传输的可靠性。

2. 详细的使用方法

使用udphdr结构体通常涉及以下几个步骤：

创建原始套接字
构造IP头部和UDP头部
填充数据部分
计算校验和
发送UDP报文
接收并解析UDP报文

2.1 创建原始套接字

要手动构造和发送UDP报文，需要使用原始套接字（SOCK_RAW）。创建原始套接字通常需要管理员权限。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

注意：在某些系统中，可能需要启用IP_HDRINCL选项，以便手动构造IP头部。

int one = 1;
const int *val = &one;
if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, val, sizeof(one)) < 0) {
    perror("setsockopt");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2.2 构造IP头部和UDP头部

IP头部

IP头部通常使用iphdr结构体来表示，定义在<netinet/ip.h>中。

struct iphdr *ip_header = (struct iphdr *)buffer;
ip_header->ihl = 5; // IP头部长度（5 * 32位 = 20字节）
ip_header->version = 4; // IPv4
ip_header->tos = 0; // 服务类型
ip_header->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr) + data_len); // 总长度
ip_header->id = htons(54321); // 标识符
ip_header->frag_off = 0; // 标志和片偏移
ip_header->ttl = 255; // 生存时间
ip_header->protocol = IPPROTO_UDP; // 协议
ip_header->saddr = inet_addr("192.168.1.100"); // 源IP地址
ip_header->daddr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址
ip_header->check = compute_checksum((unsigned short *)ip_header, sizeof(struct iphdr)); // 校验和

UDP头部

使用udphdr结构体填充UDP头部。

struct udphdr *udp_header = (struct udphdr *)(buffer + sizeof(struct iphdr));
udp_header->source = htons(12345); // 源端口
udp_header->dest = htons(80); // 目标端口
udp_header->len = htons(sizeof(struct udphdr) + data_len); // UDP长度
udp_header->check = 0; // 先设置为0，稍后计算校验和

2.3 填充数据部分

将实际要发送的数据填入缓冲区。

char *data = buffer + sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr);
strcpy(data, "Hello, UDP!");
int data_len = strlen(data);

2.4 计算校验和

UDP校验和需要包括UDP伪头部。以下是一个简化的校验和计算函数：

unsigned short compute_checksum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
    long sum;
    unsigned short oddbyte;
    unsigned short answer;

    sum = 0;
    while(nbytes > 1) {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    if(nbytes == 1) {
        oddbyte = 0;
        *((unsigned char*)&oddbyte) = *(unsigned char*)ptr;
        sum += oddbyte;
    }
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    answer = (unsigned short)~sum;
    return answer;
}

注意：实际应用中，计算UDP校验和时需要包含伪头部。

struct pseudo_header {
    unsigned long source_address;
    unsigned long dest_address;
    unsigned char placeholder;
    unsigned char protocol;
    unsigned short udp_length;
};

struct pseudo_header psh;
psh.source_address = ip_header->saddr;
psh.dest_address = ip_header->daddr;
psh.placeholder = 0;
psh.protocol = IPPROTO_UDP;
psh.udp_length = udp_header->len;

int psize = sizeof(struct pseudo_header) + sizeof(struct udphdr) + data_len;
char *pseudogram = malloc(psize);

memcpy(pseudogram, &psh, sizeof(struct pseudo_header));
memcpy(pseudogram + sizeof(struct pseudo_header), udp_header, sizeof(struct udphdr) + data_len);

udp_header->check = compute_checksum((unsigned short*)pseudogram, psize);

free(pseudogram);

2.5 发送UDP报文

设置目标地址并发送报文。

struct sockaddr_in dest;
dest.sin_family = AF_INET;
dest.sin_addr.s_addr = ip_header->daddr;

if (sendto(sockfd, buffer, ntohs(ip_header->tot_len), 0, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest)) < 0) {
    perror("sendto");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

printf("UDP报文发送成功\n");

2.6 接收并解析UDP报文

使用原始套接字接收UDP报文时，通常需要自行解析IP头部和UDP头部。

char recv_buffer[65535];
struct sockaddr_in source;
socklen_t saddr_len = sizeof(source);

int data_size = recvfrom(sockfd, recv_buffer, sizeof(recv_buffer), 0, (struct sockaddr *)&source, &saddr_len);
if (data_size < 0) {
    perror("recvfrom");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

struct iphdr *recv_ip = (struct iphdr *)recv_buffer;
unsigned short ip_header_len = recv_ip->ihl * 4;

struct udphdr *recv_udp = (struct udphdr *)(recv_buffer + ip_header_len);
unsigned short recv_data_len = ntohs(recv_udp->len) - sizeof(struct udphdr);
char *recv_data = recv_buffer + ip_header_len + sizeof(struct udphdr);

printf("收到来自 %s:%d 的数据: %.*s\n", inet_ntoa(source.sin_addr), ntohs(recv_udp->source), recv_data_len, recv_data);

3. 错误处理和调试

在网络编程中，尤其是操作底层套接字时，可能会遇到各种错误。以下是一些常见的错误类型及其处理方法：

3.1 套接字创建失败

原因：

权限不足：创建原始套接字通常需要超级用户权限。
系统限制：某些系统可能限制了原始套接字的使用。

解决方法：

以管理员权限运行程序（如使用sudo）。
检查系统配置，确保允许创建原始套接字。

3.2 `setsockopt` 调用失败

原因：

无效的选项或级别。
权限不足。

解决方法：

确认选项和级别的正确性。
以管理员权限运行程序。

3.3 发送失败（`sendto` 返回负值）

常见错误代码：

EACCES：权限被拒绝，可能缺乏发送原始数据包的权限。
ENOBUFS：系统缓冲区不足。
EINVAL：参数无效，如目标地址不正确。

解决方法：

检查程序是否以管理员权限运行。
确认目标地址和端口的正确性。
检查系统资源，确保有足够的缓冲区。

3.4 接收失败（`recvfrom` 返回负值）

常见错误代码：

EAGAIN 或 EWOULDBLOCK：非阻塞模式下没有数据可读。
ECONNRESET：连接被重置。
EINTR：调用被信号中断。

解决方法：

根据需要设置合适的套接字选项，如阻塞模式或设置超时。
处理可能的中断，如重新调用recvfrom。

3.5 校验和错误

原因：

校验和计算错误，可能是因为未包含伪头部。
数据在传输过程中被篡改或损坏。

解决方法：

确保正确计算校验和，包括伪头部。
使用网络抓包工具（如Wireshark）检查报文结构和内容。

4. 使用时的注意事项和最佳实践

4.1 字节序转换

网络字节序为大端字节序，而大多数主机使用小端字节序。在设置和读取端口号、长度等字段时，需要使用以下函数进行转换：

主机到网络字节序：
- htons：主机字节序到网络字节序（16位）
- htonl：主机字节序到网络字节序（32位）
网络到主机字节序：
- ntohs：网络字节序到主机字节序（16位）
- ntohl：网络字节序到主机字节序（32位）

示例：

udp_header->source = htons(12345); // 设置源端口
unsigned short source_port = ntohs(udp_header->source); // 读取源端口

4.2 校验和计算

伪头部：确保在计算UDP校验和时包含伪头部，以提高校验和的准确性。
零值校验和：虽然UDP校验和可以设置为0表示不使用，但强烈建议启用校验和以确保数据的完整性。

4.3 安全性

权限：操作原始套接字需要管理员权限，确保程序在受信任的环境中运行，避免安全风险。
报文构造：手动构造报文时，确保所有字段的正确性，避免发送错误格式的报文，引发网络问题。
数据验证：在接收和解析UDP报文时，验证所有字段和数据的合法性，防止潜在的缓冲区溢出和其他安全漏洞。

4.4 系统限制

原始套接字数量：某些系统限制了单个进程或整个系统可以创建的原始套接字数量，避免过度使用。
报文大小：确保发送的UDP报文大小在网络和系统允许的范围内，避免因过大报文被丢弃。

4.5 性能优化

缓冲区管理：合理管理发送和接收缓冲区，避免频繁分配和释放内存。
并发处理：在高并发场景下，考虑使用多线程或异步I/O，以提高处理效率。

5. 实例分析

下面是一个完整的示例程序，展示如何使用udphdr结构体构造并发送一个UDP报文，以及如何接收并解析UDP报文。

5.1 发送UDP报文

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <netinet/ip.h>

// 计算校验和的函数
unsigned short compute_checksum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
    long sum;
    unsigned short oddbyte;
    unsigned short answer;

    sum = 0;
    while(nbytes > 1) {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    if(nbytes == 1) {
        oddbyte = 0;
        *((unsigned char*)&oddbyte) = *(unsigned char*)ptr;
        sum += oddbyte;
    }
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    answer = (unsigned short)~sum;
    return answer;
}

int main() {
    int sockfd;
    char buffer[1024];
    memset(buffer, 0, 1024);

    // 创建原始套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
    if(sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置IP_HDRINCL，表示自定义IP头部
    int one = 1;
    const int *val = &one;
    if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, val, sizeof(one)) < 0) {
        perror("setsockopt");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 填充IP头部
    struct iphdr *ip_header = (struct iphdr *)buffer;
    ip_header->ihl = 5;
    ip_header->version = 4;
    ip_header->tos = 0;
    int data_len = strlen("Hello, UDP!");
    ip_header->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr) + data_len);
    ip_header->id = htons(54321);
    ip_header->frag_off = 0;
    ip_header->ttl = 255;
    ip_header->protocol = IPPROTO_UDP;
    ip_header->saddr = inet_addr("192.168.1.100"); // 源IP地址
    ip_header->daddr = inet_addr("192.168.1.1"); // 目标IP地址
    ip_header->check = compute_checksum((unsigned short *)ip_header, sizeof(struct iphdr));

    // 填充UDP头部
    struct udphdr *udp_header = (struct udphdr *)(buffer + sizeof(struct iphdr));
    udp_header->source = htons(12345); // 源端口
    udp_header->dest = htons(80); // 目标端口
    udp_header->len = htons(sizeof(struct udphdr) + data_len);
    udp_header->check = 0; // 先设置为0

    // 填充数据部分
    char *data = buffer + sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr);
    strcpy(data, "Hello, UDP!");

    // 计算UDP校验和（包括伪头部）
    struct pseudo_header {
        unsigned long source_address;
        unsigned long dest_address;
        unsigned char placeholder;
        unsigned char protocol;
        unsigned short udp_length;
    } psh;

    psh.source_address = ip_header->saddr;
    psh.dest_address = ip_header->daddr;
    psh.placeholder = 0;
    psh.protocol = IPPROTO_UDP;
    psh.udp_length = udp_header->len;

    int psize = sizeof(struct pseudo_header) + sizeof(struct udphdr) + data_len;
    char *pseudogram = malloc(psize);

    memcpy(pseudogram, &psh, sizeof(struct pseudo_header));
    memcpy(pseudogram + sizeof(struct pseudo_header), udp_header, sizeof(struct udphdr) + data_len);

    udp_header->check = compute_checksum((unsigned short*)pseudogram, psize);

    free(pseudogram);

    // 目的地址
    struct sockaddr_in dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_addr.s_addr = ip_header->daddr;

    // 发送数据包
    if(sendto(sockfd, buffer, ntohs(ip_header->tot_len), 0, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest)) < 0) {
        perror("sendto");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("UDP报文发送成功\n");
    close(sockfd);
    return 0;
}

说明：

创建原始套接字：使用SOCK_RAW和IPPROTO_RAW，并设置IP_HDRINCL选项，表示手动构造IP头部。
填充IP头部和UDP头部：确保所有字段正确设置，并进行字节序转换。
计算校验和：包括UDP伪头部，以确保校验和的准确性。
发送报文：使用sendto函数发送构造好的报文。

5.2 接收UDP报文

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <netinet/ip.h>

// 计算校验和的函数
unsigned short compute_checksum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
    long sum;
    unsigned short oddbyte;
    unsigned short answer;

    sum = 0;
    while(nbytes > 1) {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    if(nbytes == 1) {
        oddbyte = 0;
        *((unsigned char*)&oddbyte) = *(unsigned char*)ptr;
        sum += oddbyte;
    }
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    answer = (unsigned short)~sum;
    return answer;
}

int main() {
    int sockfd;
    char buffer[65535];
    struct sockaddr_in source;
    socklen_t saddr_len = sizeof(source);

    // 创建原始套接字，捕获所有UDP报文
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_UDP);
    if(sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while(1) {
        int data_size = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&source, &saddr_len);
        if (data_size < 0) {
            perror("recvfrom");
            close(sockfd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        // 解析IP头部
        struct iphdr *ip_header = (struct iphdr *)buffer;
        unsigned short ip_header_len = ip_header->ihl * 4;

        // 解析UDP头部
        struct udphdr *udp_header = (struct udphdr *)(buffer + ip_header_len);
        unsigned short udp_len = ntohs(udp_header->len);

        // 解析数据部分
        char *data = buffer + ip_header_len + sizeof(struct udphdr);
        int data_len = udp_len - sizeof(struct udphdr);

        // 计算并验证校验和
        struct pseudo_header {
            unsigned long source_address;
            unsigned long dest_address;
            unsigned char placeholder;
            unsigned char protocol;
            unsigned short udp_length;
        } psh;

        psh.source_address = ip_header->saddr;
        psh.dest_address = ip_header->daddr;
        psh.placeholder = 0;
        psh.protocol = IPPROTO_UDP;
        psh.udp_length = udp_header->len;

        int psize = sizeof(struct pseudo_header) + sizeof(struct udphdr) + data_len;
        char *pseudogram = malloc(psize);

        memcpy(pseudogram, &psh, sizeof(struct pseudo_header));
        memcpy(pseudogram + sizeof(struct pseudo_header), udp_header, sizeof(struct udphdr) + data_len);

        unsigned short computed_checksum = compute_checksum((unsigned short*)pseudogram, psize);
        free(pseudogram);

        if (computed_checksum != 0) {
            printf("校验和错误，丢弃该报文\n");
            continue;
        }

        // 打印接收到的信息
        printf("收到来自 %s:%d 的数据: %.*s\n",
               inet_ntoa(source.sin_addr),
               ntohs(udp_header->source),
               data_len,
               data);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

说明：

创建原始套接字：使用SOCK_RAW和IPPROTO_UDP，捕获所有UDP报文。
接收报文：使用recvfrom函数接收报文。
解析IP头部和UDP头部：提取源地址、目标地址、端口号等信息。
计算并验证校验和：确保报文数据的完整性。
处理数据：根据应用需求处理接收到的数据。

6. 常见问题与解决方案

6.1 权限不足导致套接字创建失败

问题：尝试运行发送或接收UDP报文的程序时，出现权限错误。

解决方案：

以超级用户权限运行程序，例如使用sudo：
```
sudo ./udp_program
```
修改程序的权限，使其具有必要的权限（不推荐，存在安全风险）。

6.2 校验和错误

问题：接收到的UDP报文校验和不正确，导致数据被丢弃。

解决方案：

确保在计算校验和时包含了伪头部。
使用网络抓包工具（如Wireshark）检查发送的报文是否正确。
检查数据填充是否正确，避免数据截断或多余。

6.3 报文未发送或未接收

问题：发送报文后，目标主机未收到；接收程序未接收到任何报文。

解决方案：

发送端：
- 检查目标IP地址和端口是否正确。
- 确认目标主机网络连接正常，没有被防火墙阻挡。
- 使用网络抓包工具确认报文是否已发送。
接收端：
- 确认套接字绑定正确。
- 检查是否有其他程序占用相同端口。
- 使用网络抓包工具确认报文是否到达本地主机。

6.4 报文长度不匹配

问题：设置的UDP报文长度与实际数据长度不一致，导致解析错误。

解决方案：

确保udp_header->len字段正确设置为sizeof(struct udphdr) + data_len。
在发送和接收时，正确计算和处理报文长度。

6.5 网络字节序错误

问题：端口号、长度等字段在发送或接收时未进行正确的字节序转换，导致数据不正确。

解决方案：

在设置字段时使用htons和htonl函数转换为网络字节序。
在读取字段时使用ntohs和ntohl函数转换为主机字节序。

示例：

udp_header->source = htons(12345); // 设置源端口
unsigned short source_port = ntohs(udp_header->source); // 读取源端口

7. 最佳实践

7.1 使用高层网络库

在许多情况下，使用高层网络库（如BSD sockets API）可以简化UDP报文的发送和接收，避免手动构造和解析报文。例如，使用sendto和recvfrom函数发送和接收UDP数据，无需手动处理IP头部。

7.2 充分测试

在开发过程中，使用网络抓包工具（如Wireshark）监控网络流量，确保发送和接收的报文符合预期，及时发现和修正错误。

7.3 错误处理

始终检查函数调用的返回值，并根据需要处理错误。例如，sendto和recvfrom可能会因各种原因失败，程序应具备相应的错误处理机制。

7.4 安全性

避免在不受信任的环境中运行需要超级用户权限的程序，防止潜在的安全风险。确保程序对输入数据进行充分验证，防止缓冲区溢出和其他安全漏洞。

7.5 性能优化

对于高性能应用，考虑以下优化策略：

批量处理：一次发送或接收多个报文，减少系统调用次数。
多线程或异步I/O：提高并发处理能力。
内存管理：优化缓冲区的分配和管理，减少内存碎片。

8. 总结

udphdr结构体是网络编程中处理UDP报文的基础工具，理解其各个字段及其作用对于构造和解析UDP报文至关重要。通过本文的详细讲解，您应该能够掌握使用udphdr的基本方法，处理常见的错误，并在实际项目中应用这些知识。

然而，直接操作原始套接字和手动构造报文需要深入理解网络协议和系统编程，存在一定的复杂性和潜在的安全风险。对于大多数应用场景，建议使用高层网络库和API，以简化开发流程，提升代码的可维护性和安全性。

如果您在实际应用中遇到更多问题或有更深入的需求，建议参考相关的网络编程书籍、系统文档或在线资源，以获得更全面的支持和指导。

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1. udphdr 结构体的完整定义

字段解释

2. 详细的使用方法

2.1 创建原始套接字

2.2 构造IP头部和UDP头部

IP头部

UDP头部

2.3 填充数据部分

2.4 计算校验和

2.5 发送UDP报文

2.6 接收并解析UDP报文

3. 错误处理和调试

3.1 套接字创建失败

3.2 setsockopt 调用失败

3.3 发送失败（sendto 返回负值）

3.4 接收失败（recvfrom 返回负值）

3.5 校验和错误

4. 使用时的注意事项和最佳实践

4.1 字节序转换

4.2 校验和计算

4.3 安全性

4.4 系统限制

4.5 性能优化

5. 实例分析

5.1 发送UDP报文

5.2 接收UDP报文

6. 常见问题与解决方案

6.1 权限不足导致套接字创建失败

6.2 校验和错误

6.3 报文未发送或未接收

6.4 报文长度不匹配

6.5 网络字节序错误

7. 最佳实践

7.1 使用高层网络库

7.2 充分测试

7.3 错误处理

7.4 安全性

7.5 性能优化

8. 总结

评论

1. `udphdr` 结构体的完整定义

3.2 `setsockopt` 调用失败

3.3 发送失败（`sendto` 返回负值）

3.4 接收失败（`recvfrom` 返回负值）