昨天（Day 12）我們完成了 UDP Header 解析與 Port Lookup：

Ethernet (L2) ──► IPv4 (L3) ──► UDP (L4) ──► Port Lookup

我們的 Network Stack 已經能夠辨識出「這個 UDP 封包是要交給哪個 Port（例如 8080）」。

然而昨天我們只解析了 8 Bytes 的 UDP 標頭就停下了腳步，封包內包覆的**真正資料（Payload）**完全沒有被提取與呈現。

今天（Day 13），我們正式打通了作業系統核心與使用者空間應用程式的最後一哩路：

Ethernet (L2) ──► IPv4 (L3) ──► UDP (L4) ──► Payload 提取 ──► Application Callback

當外部客戶端送出字串資料時，我們的網路堆疊成功將資料遞交給註冊在 8080 Port 的應用程式，在螢幕上印出：

=== UDP APP ===
hello world
===============

今日學習目標與成果

• [x] 掌握 UDP 長度計算規範（RFC 768）：釐清 UDP Header 中的 length 包含 8 Bytes Header + Payload，並透過 ntohs() 轉換計算出精確的 payload_len。
• [x] 實作 Payload 記憶體定位：透過指標運算 (uint8_t *)udp + sizeof(struct udp_hdr) 準確定位應用層資料的記憶體起始位址。
• [x] 設計核心至應用層的 Callback 機制：
  • 定義 typedef void (*udp_handler_t)(const uint8_t *data, size_t len);
  • 升級 struct udp_socket 與 udp_bind()，實現 Kernel 與 Application 的架構解耦。
• [x] 實作第一個 UDP 應用程式（udp_echo_app）：模擬真實 Daemon 服務，在主程式啟動時向核心註冊監聽 Port 8080。
• [x] 完整鏈路實測與位元組級驗算（Byte-level Verification）：
  • 發送 hello world\n（12 bytes）。
  • 精確驗證總封包長度 54 Bytes = Ethernet (14) + IPv4 (20) + UDP Header (8) + Payload (12)。

核心概念深入剖析

1. UDP 封包記憶體佈局與長度計算

UDP 的資料單元（Datagram）由兩部分組成：

+-----------------------+-----------------------------+
|  UDP Header (8 Bytes) |   Payload (應用層真實資料)    |
+-----------------------+-----------------------------+
▲                       ▲
│                       │
udp                     udp + sizeof(struct udp_hdr)

在 UDP 標頭中，length 欄位定義如下：

• 包含範圍：UDP Header（8 Bytes）+ Payload 的總長度。
• 最小值：8（代表 Payload 為 0，純空封包）。

因此計算 Payload 長度的公式為：

uint16_t udp_len = ntohs(udp->length);

// 防禦性檢查：長度不能小於標頭本身
if (udp_len < sizeof(struct udp_hdr)) {
    return;
}

size_t payload_len = udp_len - sizeof(struct udp_hdr);
const uint8_t *udp_payload = (const uint8_t *)udp + sizeof(struct udp_hdr);

2. 核心（Kernel）與應用程式（Application）的邊界：為什麼需要 Callback？

在現代作業系統中，網路協定堆疊（Kernel Space）與應用程式（User Space）必須嚴格職責分離：

+-------------------------------------------------------------+
|                    Application Layer                        |
|  [udp_echo_app]     [DNS Server (53)]   [Game Server (9000)]|
+-------------------------------------------------------------+
                              ▲
                       Callback 回呼
                              │
+-------------------------------------------------------------+
|                    Transport Layer (UDP)                    |
|       Socket Table: Port 8080 ──► Handler 指標               |
+-------------------------------------------------------------+
|                    Network Layer (IPv4)                     |
+-------------------------------------------------------------+
|                    Data Link Layer (Ethernet)               |
+-------------------------------------------------------------+

為什麼不能直接在 udp_receive() 裡處理業務邏輯？

• 高內聚、低耦合：網路堆疊的核心職責是封包檢查、校驗和、路由與傳輸分流。它不應該也不可能知道「8080 是文字 echo」、「53 是網域名稱查詢」還是「遊戲角色移動」。
• 函式指標（Function Pointer / Callback）的精妙之處：
  核心只負責維護一張 Socket Table：

  struct udp_socket {
      uint16_t port;
      udp_handler_t handler; // 登記該 Port 的聯絡窗口
  };
  

  當應用程式呼叫 udp_bind(8080, udp_echo_app)，就是告訴核心：「如果有送往 8080 的封包，請回呼我的 udp_echo_app 函式！」

概念類比：Web API 路由 vs Transport Layer Port

關鍵程式碼實作

1. include/udp.h：Callback 型態與 Socket 結構升級

#ifndef UDP_H
#define UDP_H

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

#define UDP_HEADER_LEN 8
#define MAX_UDP_SOCKETS 16

/* UDP Header (RFC 768) - 固定 8 Bytes */
struct udp_hdr
{
    uint16_t src_port;
    uint16_t dst_port;
    uint16_t length;
    uint16_t checksum;
} __attribute__((packed));

/* 應用程式回呼函式型態：接收資料指標與資料長度 */
typedef void (*udp_handler_t)(const uint8_t *data, size_t len);

/* UDP Socket 結構 */
struct udp_socket
{
    uint16_t port;         // 監聽的 Port
    udp_handler_t handler; // 收到資料時要執行的 Callback 函式
};

/* 函式宣告 */
void udp_init(void);
int udp_bind(uint16_t port, udp_handler_t handler);
struct udp_socket *udp_lookup(uint16_t port);
void udp_print_header(const struct udp_hdr *udp);
void udp_dump_payload(const uint8_t *payload, size_t len);
void udp_receive(int fd, const uint8_t *buffer, size_t len);

#endif /* UDP_H */

2. src/udp.c：Payload 解析與應用程式交付

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#include "ethernet.h"
#include "ipv4.h"
#include "udp.h"

static struct udp_socket udp_table[MAX_UDP_SOCKETS];

void udp_init(void)
{
    memset(udp_table, 0, sizeof(udp_table));
}

int udp_bind(uint16_t port, udp_handler_t handler)
{
    if (port == 0) return -1;
    if (udp_lookup(port) != NULL) return -1;

    for (int i = 0; i < MAX_UDP_SOCKETS; i++) {
        if (udp_table[i].port == 0) {
            udp_table[i].port = port;
            udp_table[i].handler = handler;
            printf("[UDP] Bound to port %u\n", port);
            return 0;
        }
    }
    return -1;
}

struct udp_socket *udp_lookup(uint16_t port)
{
    for (int i = 0; i < MAX_UDP_SOCKETS; i++) {
        if (udp_table[i].port == port) {
            return &udp_table[i];
        }
    }
    return NULL;
}

void udp_dump_payload(const uint8_t *payload, size_t len)
{
    printf("Payload (%zu bytes):\n", len);
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        putchar(payload[i]);
    }
    printf("\n");
}

void udp_receive(int fd, const uint8_t *frame, size_t len)
{
    (void)fd;

    if (len < ETH_HEADER_LEN + sizeof(struct ipv4_hdr) + sizeof(struct udp_hdr)) {
        return;
    }

    const uint8_t *payload = frame + ETH_HEADER_LEN;
    const struct ipv4_hdr *ip = (const struct ipv4_hdr *)payload;
    uint8_t ihl = (ip->version_ihl & 0x0F) * 4;

    if (len < ETH_HEADER_LEN + ihl + sizeof(struct udp_hdr)) {
        return;
    }

    const struct udp_hdr *udp = (const struct udp_hdr *)(payload + ihl);

    // 1. 印出 UDP Header
    udp_print_header(udp);

    // 2. 取得目的 Port 與查表
    uint16_t dst_port = ntohs(udp->dst_port);
    struct udp_socket *sock = udp_lookup(dst_port);

    // 3. 提取 Payload 與計算長度
    uint16_t udp_len = ntohs(udp->length);
    if (udp_len < sizeof(struct udp_hdr)) {
        return;
    }
    size_t payload_len = udp_len - sizeof(struct udp_hdr);
    const uint8_t *udp_payload = (const uint8_t *)udp + sizeof(struct udp_hdr);

    // 4. 交付至應用程式（Deliver）
    if (sock) {
        printf("[UDP] Deliver to Port %u\n", dst_port);
        udp_dump_payload(udp_payload, payload_len);

        if (sock->handler) {
            sock->handler(udp_payload, payload_len);
        }
    } else {
        printf("[UDP] No listener\n");
    }
    fflush(stdout);
}

3. src/tap.c：應用程式定義與註冊

/* 第一個 UDP 應用程式：收到什麼就印出什麼 */
void udp_echo_app(const uint8_t *data, size_t len)
{
    printf("\n=== UDP APP ===\n");
    // fwrite 可以精確輸出 len 長度，不怕資料中包含 '\0'
    fwrite(data, 1, len, stdout);
    printf("===============\n\n");
    fflush(stdout);
}

int main()
{
    ...
    udp_init();
    udp_bind(8080, udp_echo_app); // 將 8080 Port 綁定給 echo app
    ...
}

實戰驗收與封包剖析

測試指令

Terminal 1（Network Stack）：

make network
sudo ./network

Terminal 2（Linux Client）：

sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev tap0 2>/dev/null || true
sudo ip link set tap0 up

# 送出測試字串
echo "hello world" | nc -u -w 1 10.0.0.2 8080

終端機真實輸出結果

[ACCEPT]
Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : c6:bf:60:33:9d:73
EtherType   : 0x0800

IPv4 Packet
------------------
Version      : 4
Header Length: 20 bytes
TTL          : 64
Protocol     : 17
Checksum     : 0x6797 (OK)
Source IP    : 10.0.0.1
Destination IP : 10.0.0.2

[IPv4] Local Delivery (for me)

UDP Packet
-------------------
Source Port      : 49000
Destination Port : 8080
Length           : 20
Checksum         : 0x7af2

[UDP] Deliver to Port 8080
Payload (12 bytes):
hello world


=== UDP APP ===
hello world
===============

Frame length: 54 bytes

數據位元組精準驗算（Byte-by-Byte Breakdown）

• UDP Length = 8 (UDP Header) + 10 (Payload) = 18 Bytes
• 總 Frame Length = 14+20+8+10=52Bytes

思考與總結：從 UDP 到 TCP 的分水嶺

到今天為止，我們完成的網路堆疊已經具備完整的向下與向上傳輸鏈路：

+------------------------------------+
|            Application             |  <-- udp_echo_app (收到了 "hello world")
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|             UDP Socket             |  <-- udp_table (8080 -> handler)
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|                UDP                 |  <-- 解析 Port、驗證 Length、提取 Payload
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|                IPv4                |  <-- 路由轉發與本機交付決策 (Local Delivery)
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|                ARP                 |  <-- IP 與 MAC 映射快取
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|              Ethernet              |  <-- 訊框篩選與 EtherType 分流
+------------------------------------+
                  ▲
+------------------------------------+
|             TAP Device             |  <-- 虛擬網路介面 (tap0)
+------------------------------------+

UDP 的特性回顧：

• 收到就交付：沒有連線建立（Handshake）、沒有確認送達（ACK）、沒有重傳（Retransmission）。
• 極速簡潔：非常適合 DNS、VoIP、即時遊戲串流等重視低延遲的場景。

Day 14 預告：封包組裝與主動發送 — UDP Sender

完成了接收路徑（Receive Path）後，明天我們將打造逆向的傳送路徑（Transmit Path）：

Application ──► UDP ──► IPv4 ──► ARP Lookup ──► Ethernet ──► TAP

你將會親手實作：

• 由上至下的封包封裝（Encapsulation）
• UDP Header 與 Payload 組裝
• IPv4 標頭封裝與 Checksum 計算
• 透過 ARP Table 查詢目的 MAC 位址並封裝 Ethernet Frame
• 使用 write() 透過 TAP 設備送出真實 UDP 封包
• 透過 nc -lu 9999 成功接收來自你的自製 Network Stack 發出的問候！