1）实验平台：正点原子开拓者FPGA 开发板
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第二十二章基于NicheStack的UDP实验
上一章我们使用三速以太 IP核搭建了NicheStack的底层硬件框架，并使用Nios II SBT
for Eclipse自带的“Simple Socket Server”例程演示了使用telnet服务控制FPGA开发板上
的led灯。本章我们将进一步了解NicheStack，并实现一个简单的UDP服务。本章分为以下几个
部分：
22.1 简介
22.2 实验任务
22.3 硬件设计
22.4 软件设计
22.5 下载验证
简介
UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据 协议。是OSI（Open System
Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的
简单不可靠信息传送服务。UDP 用来支持那些需要在计算机之间传输数据的 络应用，包括
络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的 络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问
世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今
天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的 络传输层协议。
UDP 数据 格式如下图：
图 22.1.1 UDP数据 格式
端口 表示发送和接收进程，UDP协议使用端口 为不同的应用保留各自的数据传输通道，
UDP和TCP协议都是采用端口 对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据，而数据接收方则通
过目标端口接收数据。有的 络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些
络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP 头使用两个字节存放端口 ，所以端口
的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口 都代表动态端口。
数据 的长度是指包括 头和数据部分在内的总字节数。因为 头的长度是固定的，所以
该域主要被用来计算可变长度的数据部分（又称为数据负载）。数据 的最大长度根据操作环
境的不同而各异。从理论上说，包含 头在内的数据 的最大长度为 65535 字节。
UDP协议使用 头中的校验和来保证数据的安全。校验和首先在数据发送方通过特殊的算
法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据 在传输过程中被第三
方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算和将不会相符，由此UDP
协议可以检测是否出错。关于UDP协议及其与IP协议的关系的详细介绍可参考《开拓者FPGA开
发指南》第四十二章的《以太 通信实验》。
下面我们来看看如何用NicheStack进行UDP通信。使用NicheStack进行UPD通信的过程大致
如下图所示：
图 22.1.2 UDP通信过程
整个过程可分为以下几个步骤：
UDP服务端：
1) 创建UDP套接字（使用socket()函数）
2) 将套接字与服务器地址绑定（使用bind()函数）
3) 接收客户端发送的数据（使用recvfrom()函数）
4) 向客户端发送数据（使用sendto()函数）
5) 回到第3步（如果继续服务）
6) 关闭UDP服务（如果需要关闭服务），关闭socket描述符并退出（使用close()函数）
UDP客户端：
1) 创建UDP套接字（使用socket()函数）
2) 发送数据或请求给服务器（使用sendto()函数）
3) 接收来自服务器的数据或响应（使用recvfrom()函数）
4) 处理回复并在必要时返回步骤2
5) 关闭套接字描述符并退出（使用close()函数）
涉及到的函数说明如下：
socket()函数原型：
long socket(int family, int type, int proto)
作用：在指定的域中创建未绑定的套接字，返回套接字文件描述符
参数family：用于设置 络通信的域，socket根据这个参数选择信息协议的族，常用的值
为AF_INET（用于IPv4）和AF_INET6（用于IPv6）
参数type：指定创建的socket类型，值SOCK_STREAM用于TCP通信、值SOCK_DGRAM用于UDP
通信。
参数proto：指明套接字使用的协议，0表示使用地址系列的默认协议，置0即可。
返回值：成功：非负的文件描述符
失败：-1
bind()函数原型：
int bind (long s, struct sockaddr * addr, int addrlen)
作用：将地址分配给未绑定的套接字。
参数s：套接字文件描述符，通过socket()函数获得
参数addr：需要绑定的IP和端口
参数addrlen：addr结构体的大小
返回值：成功：0
失败：-1
recvfrom()函数原型：
int recvfrom(BSD_SOCKET s, void * buf, BSD_SIZE_T len, int flags,
struct sockaddr * from, int * fromlen)
作用：从套接字接收消息。
参数s：套接字文件描述符，通过socket()函数获得
参数buf：用于接收数据的应用程序缓冲区
参数len：接收缓冲区的大小
参数flags：用于修改套接字行为的位或标志，一般填0即可
参数from：返回包含源地址的结构
参数from len：表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回接收成功的数据长度
失败：-1
sendto()函数原型：
int sendto (long s, char * buf, int len, int flags,
struct sockaddr * to, int tolen)
参数s：套接字文件描述符，通过socket()函数获得
参数buf：包含要发送的数据的应用程序缓冲区
参数len：发送缓冲区的大小
参数flags：用于修改套接字行为的位或标志，一般填0即可
参数to：包含目的地址的结构
参数tolen：目的地址结构的大小
返回值：成功：返回发送成功的数据长度
失败：-1
close()函数原型：
int close(long s)
close函数比较简单，只要填入socket()函数返回的文件描述符即可。
需要说明的是这些函数在NicheStack中基本上都是宏定义到另一个函数的，这里的函数原
型以最终使用的函数为准。
实验任务
本章的实验任务是使用NicheStack实现简单的UDP服务器，其功能是将 络调试助手发送
给开发板的数据环回至 络调试助手。
硬件设计
本章的UDP实验硬件部分可以基于《基于NicheStack的简单socket服务器实验》，无需修
改。
软件设计
软件设计部分与上一章《基于NicheStack的简单socket服务器实验》的区别不大，可以在
上一章的软件设计部分的基础上修改。
我们打开《基于NicheStack的简单socket服务器实验》的软件工程，在qsys_eth_bsp的
iniche目录下有如图 22.4.1所示的目录层。inc目录包含系统调用宏定义文件alt_syscall.h
和Altera InterNiche器件服务源文件alt_iniche_dev.h。src目录主要包含NicheStack的协议
栈实现源文件，其中ip目录具有完整大小的IP系列堆栈协议（ARP、ICMP、UDP）源文件、tcp
目录包含TCP和套接字源文件、net目录具有NicheStack和NicheLite共有的 络支持软件（包
括pktalloc、queue、macloop、slip和dhcp）源文件、misclib目录包含面向字符的用户界面
（CUI）与IP地址解析代码以及其它类似的额外功能、nios2目录则包含用于支持在Altera的
Nios-II平台上运行NicheStack协议栈的代码。
图 22.4.1 NicheStack目录层次
当购买了除TCP/IP堆栈之外的其它InterNiche产品时，将出现其它目录，如ftp（FTP客户
端和服务器代码）、tftp（TFTP客户端和服务器代码）、telnet（Telnet服务器代码）等，这
些目录都是Altera的NicheStack组件自带的。
知道NicheStack的目录层次后，我们可以从这些目录中了解其底层的实现，有兴趣的可以
研究，这里我们重点在于如何使用。
现在我们将该工程修改为UDP服务器工程。
由于本实验不需要led，所以我们将led.c文件删除。重命名simple_socket_server.c为
udp_server.c。并将其内容替换如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <string.h>
3 #include <ctype.h>
4
5 /* MicroC/OS-II definitions */
6 #include “includes.h”
7
8 /* Simple Socket Server definitions */
9 #include “simple_socket_server.h”
10 #include “alt_error_handler.h”
11
12 /* Nichestack definitions */
13 #include “ipport.h”
14 #include “tcpport.h”
15
16 /*
17 * sss_handle_msg()
18 *
19 * 接收UDP客户端发送过来的信息， 并将接收到的信息环回给UDP客户端 ，同时打印信息到控制台
20 *
21 */
22 void sss_handle_msg(SSSConn* conn)
23 {
24 int len, rx_code;
25 struct sockaddr_in incoming_addr;
26
27 while(1){
28 memset(conn->rx_buffer, 0, SSS_RX_BUF_SIZE);
29 len = sizeof(incoming_addr);
30 rx_code = recvfrom(conn->fd, conn->rx_buffer, SSS_RX_BUF_SIZE, 0,
31 (struct sockaddr *)&incoming_addr ,&len); //接收客户端发送过来的信息
32 if(rx_code == –1){
33 printf(“recieve data fail!n”);
34 return;
35 } //判断是否接收错误
36 conn->rx_wr_pos = conn->rx_buffer; //将接收到的信息传递给rx_wr_pos指针
37 printf(“client ip : %sn”, inet_ntoa(incoming_addr.sin_addr)); //打印客户端IP
38 printf(“client msg: %sn”,conn->rx_buffer); //打印客户端发过来的信息
39 sendto(conn->fd, conn->rx_wr_pos, strlen(conn->rx_wr_pos), 0,
40 (struct sockaddr *)&incoming_addr ,len); //发送信息给客户端
41 }
42 }
43
44 /*
45 * SSSSimpleSocketServerTask()
46 *
47 * 定义SSSSimpleSocketServerTask任务函数,即UDP服务任务函数
48 *
49 */
50 void SSSSimpleSocketServerTask()
51 {
52 int socketfd;
53 struct sockaddr_in addr;
54 static SSSConn conn;
55
56 if ((socketfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) //创建socket接口
57 alt_NetworkErrorHandler(EXPANDED_DIAGNOSIS_CODE,“[sss_task] Socket creation failed”);
58
59 addr.sin_family = AF_INET; //地址家族：IPv4
60 addr.sin_port = htons(SSS_PORT); //端口由SSS_PORT宏定义，并转换为 络字节序
61 addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; //通配地址，由内核指定
62
63 if ((bind(socketfd,(struct sockaddr *)&addr,sizeof(addr))) < 0) //绑定socket
64 alt_NetworkErrorHandler(EXPANDED_DIAGNOSIS_CODE,“[sss_task] Bind failed”);
65
66 printf(“[sss_task] UDP Server on port %dn”, SSS_PORT);
67
68 conn.fd = socketfd;
69
70 sss_handle_msg(&conn);
71 close(conn.fd);
72 }
SSSConn为结构体，用于管理SSS的每一个连接，定义如下：
图 22.4.2 SSSConn为结构体
其中的enum用于TCP连接的状态指示，这里我们未使用到，在TCP客户服务中会使用。
从 udp_server.c 中 我 们 看 到 ， 创 建 UDP 服 务 器 的 过 程 同 图 22.1.2 表 示 的 一 致 。
SSSSimpleSocketServerTask()任务函数即UDP服务任务函数，需要注意的是recvfrom（）函数
是阻塞调用的，直到接收到数据后才往下执行。inet_ntoa（）函数是将IP地址转换为标准的
点分十进制显示。第60行的宏htons调用是因为不同机器的字节排列方式不一样，也就是俗称
的大端和小端排序，所以为了方便 络通信，统一先转换成 络字节序。
更改完成后，我们找到SSS_PORT宏定义的地方，也就是simple_socket_server.h文件的第
131行，将其值改为8080，即使用8080端口进行UDP服务。
最后我们打开iniche_init.c文件，删除第94行和第97行的两个函数（这两个函数在
udp_server.c中因未用到已经删除），函数名如下：
图 22.4.3 删除不需要的函数
经过以上修改后，软件设计部分就完成了。
下载验证
讲完了软件工程，接下来我们就将该实验下载至我们的开拓者开发板进行验证。
首先我们用一根 线将开发板和电脑进行连接，然后连接JTAG和电源，开发板上电后我们
在Quartus II软件中将qsys_eth.sof文件下载至我们的开拓者开发板，qsys_eth.sof下载完成
后，我们就将qsys_eth.elf文件系统下载至我们的开拓者开发板，下载完成后，控制台打印如
下信息：
图 22.5.1 启动UDP服务信息
现在，我们打开 络调试助手，设置如下图所示：
图 22.5.2 打开 络调试助手
打开 络调试助手后，协议类型选择：UDP；本地主机地址选择：本地连接的IP地址（在
这里是192.168.1.89）；本地主机端口 ：8080；设置完成后点击【打开】按钮。如下图所示：
图 22.5.3 设置发送相关信息
远程主机选择：192.168.1.234 : 8080（UDP服务器的IP地址和端口 ）， 络调试助手
打开后，在发送文本框中输入数据“正点原子”并点击发送，如下图所示：
图 22.5.4 环回结果
可以看到 络调试助手接收到了UDP服务端返回的信息。与此同时，控制台打印如下信息：
图 22.5.5 控制台打印接收到的信息
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