自己动手写一个小型的TCP/IP协议

TCP/IP协议大家都知道，但真正理解的人不多，不如动手写一个小型的看看。

我知道看书很枯燥，看不懂，还打击大家的信心，不是我们的脑袋不如人，是我们的方法错了。

一切的技术都从应用中发展而来，所以要从下往上走，先动手完成一个任务吧。

需要准备的前提知识

• linux驱动程序知识：原本理解网络协议是不一定非要懂linux驱动程序的，但由于这个例子是使用linux虚拟网卡作为基础，为了看懂源代码，需要简单了解。目前没有又短小又清楚的好文章推荐，以后可以补充。

• 虚拟网卡 TUN/TAP 驱动程序设计原理
  http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-tuntap/
  上面这个网址是我认为讲解比较清楚全面的文章，推荐一下。

• 太网报头格式（L2层），ARP报头格式，ARP协议功能和实现流程。下面这个英文网址的文章我认为讲解还算比较好。

• 
  
  • 首先明白所谓7层协议栈各层的报头。这里不准备7层全部讲，就讲三层，包括以太网报头（L1层），IP报头（L2层），TCP/UDP（L3层）报头。讲多了，反而不容易理解。从一个个具体应用总结出整个协议栈的结构。
• 然后再来看一个实际截获的数据包。
• 最后看一下整个数据包，包括数据和三个报头，是如何生成的。分别由哪些协议生成和生成次序。包包生成之后，交给以太网驱动程序发走。

图1：IP报头结构
除掉 IP Option这个字段, IP报头一共20个字节，各字段的含义如上图所示。

下面再看一个实际截获的UDP数据包:

图2：一个实际截获的UDP数据包

• 以太网报头

有一个“类型”字段（上面的例子中是0800,代表是从IP协议层传送过来的数据包），其中各类型值的含义分别如下：

0x0600 XNS
0x0800 IP
0x0806 ARP
0x6003 DECnet

• IP报头
  红色框框里面就是20个字节的IP报头，各字段的含义要仔细看。

• UDP报头

  IP报头
  紧接着后面8字节的UDP报头。它是被上层的UDP协议加上去的。

  首先数据（有效载荷）当然是应用层（打比方EPSON打印机应用软件）生成的。（上面这个图是我的EPSON打印机软件和打印机的通信包）。EPSON打印机应用软件生成一个数据包，就丢给UDP层（L3），这个UDP协议就会在数据前面加个一个UDP的报头（上图中的蓝色框框）。然后UDP协议接着往下传递，传到了IP层（L2层），这个IP协议呢，又在前面加了一个IP报头。又接着往下传递，传递到了以太网卡层（L1层），又在前面加了一个以太网报头，然后整个数据包交给以太网驱动程序，这个数据包包括三个报头和要发送的数据（有效载荷），最后以太网驱动程序把整个数据包通过网线发送出去。

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看完一个具体的例子，再来看整个协议栈。

ARP协议(Address Resolution Protocol )是一个特定的网络标准协议。它是可选的。工作在L2层 。
地址解析协议负责将更高级别的协议地址（IP地址）转换为物理网络地址。
http://network-panda.blogspot.jp/2015/06/brief-introduction-to-protocols-1-arp.html

http://www.tcpipguide.com/free/t_ARPMessageFormat.htm
当主机收到ARP数据包（无论是广播请求或点对点的回复），接收的设备驱动程序把这个包发送到ARP协议模块，ARP协议模块按如下的流程处理:

好了，到此为止，我认为该准备的基础知识已经准备好了。接下来动手实验吧。

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让我们写一个TCP / IP协议栈，1：以太网、ARP

自己写TCP / IP协议栈可能看起来像一个艰巨的任务。事实上，TCP已经积累了超过三十年的寿命的规范。

然而核心规范，看起来是紧凑的，重要组成部分是：TCP报头解析、状态机、拥塞控制和重传超时计算。
最常用的2层和3层的协议，分别在以太网和IP层，相对TCP的复杂性而言显得简单很多。

在这个博客系列，我们将在Linux上实现一个最小的用户空间TCP / IP协议栈。

这些是纯粹的学习用，要深入学习，请更深层的学习网络和系统编程。

内容

TUN/TAP设备
以太网帧格式
以太网帧分析
地址解析协议
地址解析算法
结论
来源

TUN/TAP设备

为了拦截来自于内核的底层的网络数据，我们将使用一个TUN/TAP设备。

[Connie Note]
tun/tap 驱动程序实现了虚拟网卡的功能，tun表示虚拟的是点对点设备，tap表示虚拟的是以太网设备，这两种设备针对网络包实施不同的封装。
利用tun/tap 驱动，可以将tcp/ip协议栈处理好的网络分包传给任何一个使用tun/tap驱动的进程，由进程重新处理后再发到物理链路中。

简单说，一个TUN/TAP设备通常是由网络用户空间的应用程序用来分别操纵L3或L2层的数据。

一个流行的例子是tunneling，其中一个包被包裹在另一个数据包的有效载荷中。

TUN/TAP设备的优势是，它们很容易在用户空间的程序建立，它们已经被用于许多程序，如OpenVPN。

由于我们要从L2层建立自己的网络协议堆栈，我们需要一个TAP设备。我们那样实例化的那样：

/ *
*从内核文件/网络/ tuntap.txt取
*/

int tun_alloc(char *dev)
{
    struct ifreq ifr;
    int fd, err;

    if( (fd = open("/dev/net/tap", O_RDWR)) < 0 ) {
        print_error("Cannot open TUN/TAP dev");
        exit(1);
    }

    CLEAR(ifr);

    /* Flags: IFF_TUN   - TUN device (no Ethernet headers)
     *        IFF_TAP   - TAP device
     *
     *        IFF_NO_PI - Do not provide packet information
     */
    ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
    if( *dev ) {
        strncpy(ifr.ifr_name, dev, IFNAMSIZ);
    }

    if( (err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr)) < 0 ){
        print_error("ERR: Could not ioctl tun: %s\n", strerror(errno));
        close(fd);
        return err;
    }

    strcpy(dev, ifr.ifr_name);
    return fd;
}

接下来，返回的文件描述符fd可以用来读写数据到虚拟设备的以太网缓冲。
标志IFF_NO_PI是至关重要的，否则，我们会添加到以太网帧不必要的数据包信息。你可以看看内核的设备驱动程序的源代码，并自己验证。

以太网帧格式

众多不同的以太网网络技术连接计算机到局域网（LANs）的主干网。与所有的物理技术一样，以太网标准已经发生巨大变化，从1980年由Digital Equipment公司和英特尔和施乐出版的第一个方案。

以太网的第一个版本是在今天的标准看来是很慢的，大概10Mb/s，采用半双工通信，这意味着你可以发送或接收数据，但不能在同一时间。这就是为什么一个媒体访问控制（Media Access Control ）（MAC）协议必须被纳入组织的数据流。即使到今天，如果在半双工模式下运行一个以太网接口，载波侦听多路访问冲突检测（CSMA/CD）依然是必须的，因为MAC。

采用双绞线布线的100BASE-T以太网标准使全双工通信成为可能，也使通讯有了更高的吞吐速度。此外，同时增加了以太网交换机的人气，让CSMA/CD过时。

IEEE 802.33工作组维护着不同的以太网标准。

下一步，我们将看看以太网帧头。它可以被声明为一个C的结构体：

#include 
struct eth_hdr
{
    unsigned char dmac[6];
    unsigned char smac[6];
    uint16_t ethertype;        //以太网类型
    unsigned char payload[];    //有效载荷
} __attribute__((packed));

DMAC和Smac是相当不言自明的项目。它们分别包含通信方（目的和源）的地址。
重载项目ethertype，是一种2-octet项目，它的含义取决于它的值，可以是有效载荷的长度，也可以使有效载荷的类型。具体来说，如果该字段的值大于或等于1536，该字段表示有效载荷的类型（如IPv4，ARP）。如果值小于该值，则字段表示有效负载的长度。

ethertype字段后，以太网帧中可以有几种不同的标签。这些标签可以用来描述虚拟局域网（VLAN）、服务质量（QoS）的帧类型。以太网帧标签被排除在我们这次的代码之外，所以在我们的协议声明中，相应的字段也没有出现。

有效载荷字段包含指向以太网帧有效负载的指针。在我们的例子中，这将包含一个ARP或IPv4数据包。如果有效负载长度小于所需的最小48字节（不带标签），则将字节数追加到有效负载的最末端，以满足需求。
我们还需要包括if_ether.h 这个Linux头文件，它提供ethertypes和十六进制值之间的映射。
最后，以太网帧格式还包括帧校验字段，它是用循环冗余校验（CRC）来检查帧的完整性。在我们的例子中，我们将省略这一处理。

以太网帧的解析

结构声明的packed属性是一个细节，它告诉编译器不要优化数据结构的4字节对齐的内存布局。使用这个属性是由于我们“解析”协议缓冲区的方式，这是一种适当的协议结构数据缓冲区：
struct eth_hdr hdr = (struct eth_hdr ) buf;

一种便携式，稍微费力的方法，将手动序列化协议数据。这样，编译器可以自由地添加填充字节，以更好地适应不同处理器的数据对齐要求。

分析和处理以太网帧缓存的总体方案是简单的：

if (tun_read(buf, BUFLEN) < 0) {
    print_error("ERR: Read from tun_fd: %s\n", strerror(errno));
}

struct eth_hdr *hdr = init_eth_hdr(buf);

handle_frame(&netdev, hdr);

handle_frame功能使根据以太帧的ethertype 字段的值，决定其下一步的动作。

地址解析协议

地址解析协议（ARP）是用于动态映射一个48位的以太网地址（MAC地址）到协议地址（例如IPv4地址）。这里的关键是，ARP需要对应很多不同的L3协议，不仅仅是IPv4，还有像CHAOS这样的协议。这些被声明成16比特的协议地址。

通常的情况是，你知道在你的局域网中的一些服务的IP地址，但要建立实际的通信，也需要知道硬件地址（MAC）。因此，ARP是用来广播查询网络，要求IP地址的所有者报告其硬件地址。

ARP数据包的格式相对比较简单：

struct arp_hdr
{
    uint16_t hwtype;
    uint16_t protype;
    unsigned char hwsize;
    unsigned char prosize;
    uint16_t opcode;
    unsigned char data[];
} __attribute__((packed));

ARP报头（arp_hdr）包含一个2-octet字段 hwtype，它取决于链路层类型。这是在我们例子中，它的值一直是 0x0001。

2-octet字段protype表示协议类型。在我们的例子中，这是IPv4，相应值是0x0800。

hwsize 和 prosize字段都是1-octet大小，它们分别表示硬件尺寸和协议字段。在我们的例子中，这些是6字节的MAC地址，和4个字节的IP地址。

2-octet字段opcode 表示ARP报文类型。它可以是ARP请求（1）、ARP应答（2），RARP请求（3）或（4）RARP应答。

data字段包含ARP报文的实际载荷，并在我们的例子中，这将包含IPv4的具体信息：

struct arp_ipv4
{
    unsigned char smac[6];
    uint32_t sip;
    unsigned char dmac[6];
    uint32_t dip;
} __at

字段smac和dmac分别包含发送者和接收者的6字节的MAC地址。 sip 和 dip分别包含发送者和接收者的IP地址。

地址解析算法

原始规范描述了这个简单的算法来解决地址的解析

?Do I have the hardware type in ar$hrd?

Yes: (almost definitely)
[optionally check the hardware length ar$hln]

?Do I speak the protocol in ar$pro?

Yes:
[optionally check the protocol length ar$pln]
Merge_flag := false

If the pair  is
    already in my translation table, update the sender
    hardware address field of the entry with the new
    information in the packet and set Merge_flag to true.
?Am I the target protocol address?
Yes:
  If Merge_flag is false, add the triplet  to
      the translation table.
  ?Is the opcode ares_op$REQUEST?  (NOW look at the opcode!!)
  Yes:
    Swap hardware and protocol fields, putting the local
        hardware and protocol addresses in the sender fields.
    Set the ar$op field to ares_op$REPLY
    Send the packet to the (new) target hardware address on
        the same hardware on which the request was received.

即，翻译表用于存储ARP协议的结果，使主机可以看看他们是否已经在他们的高速缓存条目。这避免了冗余ARP请求滥发网络
该算法在arp.c中实现了.

最后，一个ARP实现最终的考验就是看它是否正确的回复ARP请求

[saminiir@localhost lvl-ip]$ arping -I tap0 10.0.0.4
ARPING 10.0.0.4 from 192.168.1.32 tap0
Unicast reply from 10.0.0.4 [00:0C:29:6D:50:25] 3.170ms
Unicast reply from 10.0.0.4 [00:0C:29:6D:50:25] 13.309ms

[saminiir@localhost lvl-ip]$ arp
Address HWtype HWaddress Flags Mask Iface
10.0.0.4 ether 00:0c:29:6d:50:25 C tap0

内核的网络堆栈识别了从我们自定义的网络协议栈来的ARP应答，填充它的ARP缓存中的虚拟网络设备的条目。成功！

结论
以太网帧的处理和ARP的最小实现相对容易，可在几行代码完成。而鼓励意义是相当高的，因为你可以在Linux主机的ARP缓存有自己制作的以太网设备！

该项目的源代码可以在GitHub找到。

在接下来的文章中，我们将继续实现 ICMP echo和 reply (ping) 和IPv4数据包解析。
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