TCP/IP协议（一、自己动手实现udp）
对TCP/IP协议都只是听过，没有仔细研究过，一些知识体系也比较零散，什么三次握手，四次挥手，滑动窗口，零拷贝技术等等，都是知识有这么个东西，而不知道具体是啥，这几天还是根king老师学习TCP/IP协议栈，受益匪浅，所以把这几天学习的TCP/IP协议的知识整理一下，形成一个自己的知识体系。
1.1 7层5层模型
每次说到tcp/ip都要上这一张图，这样才显得自己很专业（其实并不专业）。网络上介绍这5层模型的挺多的，我这里就引用一下
OSI七层模型与TCP/IP五层模型
顺便盗两张图：
第一张是描述不同的设备工作在那一层：
第二张是每一层的主要协议是啥：
从最后一张图就可以看到，之前实现的http协议就是在应用层的（博客还没总结，抽个时间写写，自己实现的http）,然后我们在应用层就是直接调用api，比如send和recv，这个send和recv发送的数据到哪里去了呢？其实通过图就可以看出，我们应用层调用了send和recv之后，数据发送到传输层（也就是tcp/udp），这里就是我们今天要自己动手实现UDP协议，也就是造轮子，我一直以为要学习一个开源代码，还是自己动手实现一个比较靠谱，所以今天我们来实现一个简单的UDP协议。
1.2 动手实现udp
1.2.1 udp数据帧的包头
这是king老师自己画的，这里又盗图了。
右边是tcp/ip模型，我们从应用程序中调用sendto的时候，用户层会把用户数据传到传输层，传输层在用户数据的基础上添加传输层的数据包头（其实就是端口），传输层再往下发数据，网络层也会在传输层数据的基础上添加上自己的网络层的包头（其实就是IP），网络层继续往下走，数据链路层也会封装自己的包头（其实就是mac地址），这样经过层层包装，才送到物理层去发送，另一端接收到的数据，就是一层一层就解包，就跟收快递一样，这里就不细说了。
1.2.2 数据链路层包头
数据链路层的包头14个字节，包括目的mac地址，源目的mac地址，和类型
封装的代码如下：
#define ETH_LENGTH 6
struct ethhdr {
unsigned char dest_mac[ETH_LENGTH]; //源mac地址
unsigned char src_mac[ETH_LENGTH]; //目的mac地址
unsigned short proto; //网络层协议类型，通常是IP协议，0x0800
}
1.2.3 IP包头
版本：包含IP数据报的版本号：IPv4为14，IPv6为6.
首部长度：标明IP数据包头部长度，单位是字也就是4个字节，它是一个4位的字段，所以IPv4的头部为15*4=60个字节的数据，这个字段是正常的值是5（没当没有选项时）。IPv6不存在这个字段，其头部长度固定为40字节。
服务类型（Tos）：区别不同服务
总长度：IPv4数据集包的总长度。由于它是一个16位的字段，所以IPv4数据报的最大长度（包括包头）为65535字节。
标识符：这个域的作用是当一个大的数据报被拆分时，拆分成的小的数据段的这个域都是一样的。
标记和段偏移以后再说
TTL：生存时间，设置一个数据报可经过的路由器数量的上限。发送方将它初始化为某一个值建议为64，每台路由器在转发数据报时将该值减1，表示在网络中经过了几个网关。（当这个字段值为0时，该数据被丢弃，防止出现不希望的路由环路而导致数据报在网络中永远循环）。
协议号：表示应用层使用的协议，比如UDP=17，TCP=6。
首部校验和：IP头部的校验和(为什么每层都加校验，是因为在以前双绞线的时候，数据容易出错，每一层加校验就可以知道那一层的数据出现了问题，容易定位问题)
源IP地址：数据报来源主机的IP地址
目的IP地址：数据报目的主机的IP地址
封装的代码如下：
struct iphdr {
unsigned char version : 4;
unsigned char hdrlen : 4; //首部长度
unsigned char tos;
unsigned short totlen;
unsigned short id; //分片标识
unsigned short flag : 3;
unsigned short offset : 13;
unsigned short ttl; //每经过一个网关，交换机就减1，默认值是64，跨一次网络都减1
unsigned char proto; //应用层协议
unsigned short check;
unsigned int sip; //源ip地址
unsigned int dip; //目标ip地址
};
1.2.4 udp包头
udp的包头就比较简单了，没有ip包头那么多。
就不解释了，直接上代码：
struct udphdr
{
unsigned short sport;
unsigned short dport;
unsigned short length;
unsigned short crc;
};
1.2.5 udp帧
udp数据帧其实就是包前面的包头全部叠加，在加上用户数据，这里用户数据用柔性数组来定义：
//udp 包 = ethhdr + iphdr + udphdr + userdata
struct udppkt {
struct ethhdr eh; // 14
struct iphdr ip; // 20
struct udphdr udp; // 8
unsigned char body[0];
};
1.2.6 用户层实现协议基础
怎么实现用户层程序来实现协议，在github上有一个开源代码netmap，是把网卡的数据直接映射到内存中，不经过内核，有点像DMA技术，所以我们需要用这种技术来完成网卡接收到数据直接放到内存中，代码github连接。
就是这个驱动编译搞了好几天，用了几个系统，最后没办法了，只能换回Ubuntu16的系统，因为这个驱动好像是基于Ubuntu16写的，所以只能乖乖的换回来，以后有空再分析一下不同系统安装的步骤。
1.2.7 简单实现udp协议
简述一个udp协议的步骤
1、struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth0", NULL, 0, NULL);
//使用netmap打开一个虚拟网卡设备。
2、pdf.fd = nmr->fd;
pfd.events = POLLIN;
int ret = poll(&pfd, 1, -1);
//使用poll来管理nmr->fd的设备文件
3、如果poll有数据过来了，就可以处理数据了，首先先转换成ethhdr包，判断一下协议是否是IP协议，IP协议的值是0x0800.
if(ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP )
4、如果网络层是使用ip协议，这时候就可以获取到ip包，并解析，得出传输层是使用什么协议的，如果是UDP就是17，icmp是1。
if(ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP )
5.如果传输层是udp，这时候就可以取数据了，这里需要注意，我们是使用柔性数据接收的，所以需要拿到数据长度，这个数据长度是udp包已经有的，
if(udp->ip.proto == PROTO_UDP) {
unsigned short udplen = ntohs(udp->udp.length);
udp->body[udp->udp.length-8] = '\0';
}
其实比较简单的，做过单片机的，对这种协议都不陌生，当初手撕I2c的时候，只不过这个是分层处理了，用了之后，才越来越觉得分层的好处。
测试的的结果：
1.2.8 实现arp
上述程序实现的结果是只能发现一段时间，过了一会就发送了不了。
这是缺少实现arp协议了，（其实我之前也不知道arp是啥），现在要用到了，就要普及一下了。
arp协议详解，我看这这篇文章就讲的不错，ARP协议详解
讲的很详细，我这里就总结一下：
ARP是地址解析协议，在以太网中，一台主机和一台主机通信，是通过mac地址通信的，但是在一个局域网内，我们只知道ip地址，而不知道mac地址，这时候就需要ARP协议，IP地址和mac地址的一个映射表，通过IP地址查找到对应mac地址。
ARP映射主要是动态方式，如果其他主机要想知道ARP映射表，会轮询发送arp数据包，所以我们实现的udp协会也需要回复一个arp包。
1.2.8.1 arp包
这里借用了那篇博客的arp包的图，
代码封装如下：
//ip层协议
struct arphdr {
unsigned short hw_type;
unsigned short proto_type;
unsigned char hw_addr_len;
unsigned char proto_addr_len;
unsigned short op;
unsigned char s_mac[ETH_LENGTH]; //mac地址
unsigned int sip;
unsigned char d_mac[ETH_LENGTH];
unsigned int dip;
};
arp包是网络层的协议，已经是最高层协议了，上面没有其他层了。
arp包也是基础数据链路层的，所以整个arp包：
//ip层协议
struct arphdr {
unsigned short hw_type;
unsigned short proto_type;
unsigned char hw_addr_len;
unsigned char proto_addr_len;
unsigned short op;
unsigned char s_mac[ETH_LENGTH]; //mac地址
unsigned int sip;
unsigned char d_mac[ETH_LENGTH];
unsigned int dip;
};
1.2.8.2 arp包回复
程序思路：
1、因为arp协议是网络层的，所以需要判断数据链路层发过来的协议：
if(ntohs(eh->h_proto) == PROTO_ARP)
2.收到ARP数据包的时候，需要判断是不是自己的IP地址
if(arp->arp.dip == inet_addr("192.168.121.155")
3.如果匹配上的话，就回复一个arp包
void echo_arp_pkt(struct arppkt *arp, struct arppkt *arp_rt, char *hmac)
{
memcpy(arp_rt, arp, sizeof(struct arppkt));
memcpy(arp_rt->eh.h_dest, arp->eh.h_src, ETH_LENGTH);
str2mac(arp_rt->eh.h_src, hmac); //源mac ffffffff
arp_rt->eh.h_proto = arp->eh.h_proto;
arp_rt->arp.hw_addr_len = 6;
arp_rt->arp.proto_addr_len = 4;
arp_rt->arp.op = htons(2);
str2mac(arp_rt->arp.s_mac, hmac);
arp_rt->arp.sip = arp->arp.dip;
memcpy(arp_rt->arp.d_mac, arp->arp.s_mac, ETH_LENGTH);
arp_rt->arp.dip = arp->arp.sip;
}
主要是把源mac和源ip换成目的mac和目的ip，然后再把自己的mac和ip填充到源mac和目的ip
在加上这个arp协议之后，我们实现的udp协议就比较稳定了。
1.2.9 实现ping
如果我们在电脑端ping这个虚拟机的ip地址，发现是ping不通，为什么呢？是因为我们没有实现ping协议。
ping其实是icmp协议中的，icmp协议是在网络层的协议，就是iP报文中的一部分，一直顶这ip报文这个大哥的大腿，做一些不可描述的事情。协议详解我目前不善长，所以还是引用了别人的协议详解，ICMP协议全解析，这个就讲的很清楚，可以好好看一看。
1.2.9.1 icmp协议包
看到这个协议包是不是很开心，比较简单，
struct icmppkt {
unsigned char type;
unsigned char code;
unsigned short sum; //前面才是icmp的数据包，这次封装的不好
unsigned short id; //这个是ping包的id
unsigned short num; //是ping包的num
};
ping包的图也不好找，直接贴出代码：
struct pingpkt {
struct ethhdr eh; //14
struct iphdr ip; //20
struct icmppkt icmp; //8
unsigned char data[0]; //柔性数组存储数据
};
1.2.9.2 ping请求包
所以就是我们接受到这个ping包之后，需要恢复一个ping包，通过wireshark抓包工具：
ICMP是在IP层的，并且协议是1，还有带上目的ip，所以首先我们做的是判断协议类型和ip地址：
if(udp->ip.proto == PROTO_ICMP) {
if(udp->ip.dip == inet_addr("192.168.121.155"))
如果这两个满足就可以恢复ping包了，我们再看看icmp包的抓包图：
type：8就是请求的意思，可以看协议详解，就是不太明白为什么要带一串数据，不明白就先留着，以后可以看看。
1.2.9.2 ping回复包
代码简单思维：
1、先通过接受回来的ping包，计算出data数据的长度（就是莫名其妙的那个数据），通过这个长度申请一个ping包的内存，这里是柔性数据，记得申请data数据长度。
2、把整个ping包数据拷贝到要发送的数据包中
3、准备ethhdr包，把mac地址的源和目的交换
4、准备ip的数据包，把源ip和目的ip交换，比较计算总长度，这个很重要，记得加上icmp的数据长度
5、准备ping包，type=0是应答8的请求，并且计算校验和，这个校验和是抄king老师的
6、调用发送接口，发送数据包
nm_inject(nmr, ping_rt, len);
完整代码如下，打印信息我还没去掉，你们可以去掉打印信息
struct pingpkt* echo_ping_pkt(struct pingpkt *ping, unsigned short *len)
{
if(ping == NULL) {
printf("ping is null\n");
return NULL;
}
//第一步
unsigned short icmp_data_len = ntohs(ping->ip.totlen)-sizeof(struct iphdr)-sizeof(struct icmppkt); //strlen(ping->data)
printf("icm_data_len %d\n", icmp_data_len);
struct pingpkt* ping_rt = NULL;
ping_rt = malloc(sizeof(struct pingpkt)+icmp_data_len);
if(ping_rt == NULL) {
printf("echo_ping_pkt malloc error\n");
return NULL;
}
//第二步
memcpy(ping_rt, ping, sizeof(struct pingpkt)+icmp_data_len);
printf("ping->data %s %d %d\n", ping->data, icmp_data_len, sizeof(ping_rt->data));
//memcpy(ping_rt->data, ping->data, icmp_data_len);
printf("ping_rt->data %s\n", ping_rt->data);
//第三步
memcpy(ping_rt->eh.h_dest, ping->eh.h_src, 6);
memcpy(ping_rt->eh.h_src, ping->eh.h_dest, 6);
ping_rt->eh.h_proto = ping->eh.h_proto;
//第四步
ping_rt->ip.sip = ping->ip.dip;
ping_rt->ip.dip = ping->ip.sip;
printf("ip tolen = %d %d\n", ntohs(ping->ip.totlen), icmp_data_len);
unsigned short ippkt_len = sizeof(struct iphdr)+sizeof(struct icmppkt)+icmp_data_len;
ping_rt->ip.totlen = htons(ippkt_len);
//第五步
ping_rt->icmp.type = 0;
ping_rt->icmp.code = 0;
printf("ping->id %d ping->seq %d\n", ping->icmp.id, ping->icmp.num);
ping_rt->icmp.sum = 0;
//ping_rt->icmp.sum = cimp_pkt_sum(&ping_rt->icmp, sizeof(struct icmppkt)+icmp_data_len);
ping_rt->icmp.sum = in_cksum(&ping_rt->icmp, sizeof(struct icmppkt)+icmp_data_len);
printf("dd\n");
*len = sizeof(struct pingpkt)+icmp_data_len;
return ping_rt;
}
校验和代码比较难算，这里就抄抄king老师的：
unsigned short in_cksum(unsigned short *addr, int len) {
register int nleft = len;
register unsigned short *w = addr;
register int sum = 0;
unsigned short answer = 0;
while (nleft > 1) {
sum += *w++;
nleft -= 2;
}
if (nleft == 1) {
*(u_char *)(&answer) = *(u_char *)w ;
sum += answer;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
answer = ~sum;
return (answer);
}
1.2.9.3 实现结果
左边是ping数据，右边是抓包出来的数据，一个简单实现的udp包就可以了。