实验指导书

我的代码&&相关注释

置顶

关于对分片的支持 CS144似乎是将分片支持放在了TCP层，也即由TCP实现分片和传输。在本实验中，我需要思索一下udp怎么适配分片，发送是已经没问题的了，接收需要好好修改一下。

总体架构

发送过程：

  1. UDP发送包
  2. IP发送包
  3. ARP发送包
    1. 地址未知，调用arp_req发送ARP请求
    2. 地址已知，ETH协议
  4. ETH发送包

接收过程：

  1. ETH收到包

    1. ARP协议

      1. 收到了ARP请求报文

        调用arp_resp回应自身MAC地址

      2. 否则，则为收到了ARP响应报文

        调用eth_out发送驻留的IP报文

    2. IP协议

  2. IP收到包

    1. ICMP协议
      1. IP报文协议字段错误，调用icmp_unreachable
      2. 如果为ICMP回显请求，发送ICMP响应
    2. UDP协议

  3. UDP收到包

    1. 内部错误，调用icmp_unreachable
    2. 否则，调用main::handler()

实现原理

本质上只是类似于一种【抓包程序】：将网卡设置为混杂模式，同时增设一个BPF过滤器，通过接收网络上所有包并筛选出那些目标IP地址等于设置的协议栈地址的部分，然后发送也是借这个网卡发出去，从而达成收发数据包的目的。

具体可见driver.c文件中的代码和注释。

协议栈

一些问题

大小端

网络上传输的数据都是字节流，对于一个多字节数值，在进行网络传输的时候，先传递哪个字节？按照TCP/IP协议规定：网络字节序是大端字节序。但是，X86平台上是以小端字节序存储，也就是，在发送之前我们需要将小端存储的字节序转换成大端法存储的数值，而在接收时，也需要将大端序转成小端序存放的数值。

我们只需关注那些长度大于一个字节的数据类型即可，如protocol_type、opcode16等等等，buf数组以及长度等字段的类型单位只为一个字节大小，无需swap。

字节对齐

在大多数计算机体系结构中，数据访问通常按照特定的字长（如32位或64位）进行对齐。结构体（struct）作为复合数据类型，其成员可以是基本数据类型（如int、long、float等），也可以是其他复合数据类型（如数组、结构体、联合体等）。

在默认情况下，编译器会根据结构体的每个成员的自然对齐条件来分配内存空间，这是为了提高数据访问和运算的效率。自然对齐，也称为默认对齐方式，通常是根据结构体成员中最大尺寸的成员来确定对齐边界。这意味着，即使某些成员的实际大小小于对齐边界，编译器也可能在它们之间插入填充字节，以确保整个结构体满足对齐要求。

网络传输是字节流传输，但是当发生结构体对齐时，编译器会自动加入填充字节，这样发送出去的字节流某些字段会指向错误的地方，因此，在实验中，我们需要禁用结构体内部字段的对齐。

在实验代码中，可以使用伪指令pack(n)，编译器将按照n个字节对齐。注意：如果指定的n大于结构体最大成员的size，则其不起作用，结构体仍然按照size最大的成员进行对齐。

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#pragma pack(1) // 编译器将按照1个字节对齐

 typedef struct ether_hdr
 {
     uint8_t dst[NET_MAC_LEN]; // 目标mac地址
     uint8_t src[NET_MAC_LEN]; // 源mac地址
     uint16_t protocol16;      // 协议/长度
 } ether_hdr_t;
 #pragma pack() // 取消自定义字节对齐方式

Map的使用

本实验用C语言实现了一个标准的泛型容器map，非常值得一看。

ETH

../_images/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%B8%A71.png

../_images/%E5%B8%A7%E6%A0%BC%E5%BC%8F1.png

ARP

在TCP/IP的网络构造和网络通信中无需事先知道MAC地址究竟是什么，只要确定了IP地址，就可向这个目标地址发送IP数据报了。然而，在数据链路层使用的是硬件地址（MAC）进行报文传输，IP地址不能被物理网络所识别，因此必须建立IP地址和MAC地址的映射关系，这一过程称为ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议。

ARP协议以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不在同一个链路上，可以通过ARP查找下一跳网关的MAC地址。注意，ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6。IPv6可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息。

那么ARP又是如何知道MAC地址的呢？简单地说，ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的。此外，在每台使用ARP的主机中，都保留了一个专用的内存区（称为缓存），存放最近的IP地址与硬件地址的对应关系。一旦收到ARP应答，主机将获得的IP地址和硬件地址的对应关系存到缓存中。当发送报文时，首先去缓存中查找相应的项，如果找到相应项，便将报文直接发送出去；如果找不到，再利用ARP进行解析。ARP 缓存信息在一定时间内有效，过期不更新就会被删除。

ARP是一个独立的三层协议，所以ARP报文在向数据链路层传输时不需要经过IP协议的封装，而是直接生成自己的报文，其中包括ARP报头，到数据链路层后再对应的数据链路层（如以太网协议）进行封装。ARP报文分为ARP请求和应答报文两种，报文格式如下图所示。

../_images/ARP.png

IP

数据链路层提供两个直连设备之间的通信功能，而一旦跨越不同的数据链路，就需要借助网络层。IP(Internet Protocol，网际协议) 是TCP/IP协议网络层的协议，其主要作用是“实现终端节点之间的通信”，也叫“点对点（point-to-point）通信”。IP可大致分为三大作用模块，分别是IP寻址、IP分包与组包以及路由转发，其中，路由转发功能涉及到路由协议，在本节实验中不做重点介绍。

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IP提供了一种尽力而为、无连接的数据报交付服务。“尽力而为”的含义是不保证IP数据报能成功到达目的地。“无连接”意味着IP不维护网络单元（即路由器）中数据报相关的任何链接状态信息，每个数据报独立于其他数据报来处理，这也意味着IP数据报可不按顺序交付。

本实验是基于IPv4协议上完成的，以下主要介绍IPv4版本的IP协议。IPv4的头部结构长度为20字节，若含有可变长的选项部分，最多60字节。

../_images/IP%E9%A6%96%E9%83%A8.PNG

这3个字段（标识、标志、位偏移）则描述如何实现分片重组:

  1. 标识 ：唯一地标识主机发送的每一个数据报，其初始值是随机的，每发送一个数据报其值就加1。同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。本实验中，标识字段可从0开始计数，然后往上自增。
  2. 标志 : 位1保留，位2表禁止分片(DF)，若设置了此位，IP模块将不对数据报进行分片，在此情况下若IP数据报超过MTU，IP模块将丢弃数据报并返回一个ICMP差错报文；位3标识更多分片(MF)，除了数据报的最后一个分片，其他分片都要把它设置为1。
  3. 位偏移 ：分片相对原始IP数据报数据部分的偏移。实际的偏移值为该值左移3位后得到的，所以除了最后一个IP数据报分片外，每个IP分片的数据部分的长度都必须是8的整数倍。

其它字段：

  1. 生存时间 ：数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。TTL值被发送端设置，常设置为64。数据报在转发过程中每经过一个路由该值就被路由器减1.当TTL值为0时，路由器就将该数据包丢弃，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL可以防止数据报陷入路由循环。
  2. 协议 : 区分IP协议上的上层协议。在Linux系统的/etc/protocols文件中定义了所有上层协议对应的协议字段，ICMP为1，TCP为6，UDP为17。
  3. 头部校验和 ： 由发送端填充接收端对其使用CRC算法校验，检查IP数据报头部在传输过程中是否损坏。IP头部校验和只针对IP首部做校验，对其负载数据的校验是上层协议负责的，它不需要关心负载数据在传输过程中出错与否。IP数据报在转发的过程中，其头部字段就会被改变一次（比如修改TTL等），但IP数据报中的负载数据字段是不会改变的，因此，通过只校验IP头部的方式，也可以提高路由器处理分组的效率。
  4. 源IP地址和目的IP地址 : 表示数据报的发送端和接收端。
  5. 区分服务(Type Of Service，TOS) ：3位优先权字段(现已被忽略) + 4位TOS字段 + 1位保留字段(须为0)。4位TOS字段分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，其中最多有一个能置为1。应用程序根据实际需要来设置TOS值。本实验中，可将TOS设置为0。
    • 最小延时：确保数据包尽快到达目的地，适用于需要低延迟的应用，如 VoIP 或在线游戏、ssh和telnet这样的登录程序。
    • 最大吞吐量：允许数据包以最大速率传输，适用于需要高带宽的应用，如视频会议、文件传输ftp。
    • 最高可靠性：减少数据包丢失和错误，适用于需要高可靠性的应用，如金融交易。
    • 最小费用：选择成本最低的路径传输数据包，适用于成本敏感的应用。

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ICMP

将Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）与IP结合使用，以便提供与IP协议层配置和IP数据包处理相关的诊断和控制信息。ICMP主要功能包括：确认IP包是否成功送达目标地址、通知发送过程当中IP包被废弃的具体原因、改善网络设置等。ICMP协议应用在许多网络管理命令中。例如，ping命令使用ICMP回送请求和应答报文，路由分析诊断程序tracert使用ICMP时间超过报文等。

报文是在IP数据报内被封装传输的。ICMP头部8个字节，所有数据都在ICMP头部后面。ICMP报文格式具体见RFC777，RFC792规范。

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ICMP的消息大致可以分为两类：一类是通知出错原因的错误消息（又称差错报文，error message），另一类是用于诊断的查询消息（又称询问或信息报文，information message）。

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  • 差错报文

    差错报文保留IP数据包中的前8个字节意义：TCP、UDP前八字节都含有源端口号，可以反馈给源主机。接收ICMP差错报文的模块就会把它与某个协议和用户进程联系起来。其中协议：根据IP数据报首部中的协议字段来判断，用户进程：根据包含在IP数据报前8字节中的TCP、UDP报文首部中的TCP、UDP端口号判断。

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  • 查询报文

    其中16位校验和（Checksum）涵盖了整个报文，其校验和的计算方法和IP协议校验和算法是一样的；

    标识符（Identifier）：如果是ICMP请求报文，该字段在Linux/macOS中用的是进程ID。如果是ICMP应答报文，则只需拷贝来自ICMP请求报文的标识符字段；

    序列号（Sequence number）：如果是ICMP请求报文，该字段在Linux/macOS中是从0递增的，每个进程独立。如果是ICMP应答报文，则只需拷贝来自ICMP请求报文的序列号字段；

    数据（Optional data）：如果是ICMP请求报文，该字段包括时间戳以及一串填充数据。如果是ICMP应答报文，则只需拷贝来自ICMP请求报文的数据字段。

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附加题

TCP

首先实现server逻辑吧