用户态协议栈tcp/ip设计

1 解决问题

对于服务器而言，正常的接受一帧Data的过程，客户端先通过网络发送一帧数据到网卡，再经过协议栈，最后通过系统调用叨叨应用程序。具体的流程图如下：

针对上面的两个流程，涉及到两次拷贝(网卡拷贝到协议栈，协议栈拷贝到应用程序)，所以就产生了用户态协议栈，将协议栈网络解析作为应用程序的一部分。

2 用户态协议栈原理

1 定义组成图
用户态协议栈主要是用来减少拷贝。采用通过网卡的nmap，DMA方式，将网卡映射到内存中，底层采用DMA直接通道。应用程序直接去内存中取。DMA无copy，copy赋值是要通过cpu指令操作，而此DMA不需要cpu，而是自己操作的,零拷贝

2 nmap原理
对于磁盘文件，网卡，蓝牙都是可以直接采用mmap映射到内存中。DMA方式避开了cpu，但是需要一条总线底层提供，映射完后，数据传输完成到内存后，给cpu触发一个中断通知cpu。
3 网卡的原理
网卡的作用是将光电信息转数字信号或者数字信号转光电信息（DA转换或AD转换).网卡驱动不是运行再网卡上，而是运行再内核上，使网卡正常工作。

3 协议帧头含义

我们能娶到一帧完整的数据方案？
常见的三种方案：1 raw socket(原生socket) 2 开源框架(netmap) 3 商业框架dpdk
目前主要分析netmap开源组件。目前主要采用udp来处理，写demo相对来说简单。

1 以太网帧头

对于以太网协议注意点 Mac地址，网卡上的Mac地址可修改，对于网络中的Mac地址，IP地址，端口，再计算机无对应的固件，都只是在协议栈上只是一个字段名字而已 。数据传输的最大字节数是1500字节。
以太网协议是针对数据链路层

// 以太网的帧头
struct ethhdr {
        unsigned char dst[ETH_LEN]; // 目的地址
        unsigned char src[ETH_LEN]; // 源地址
        unsigned short proto;   //      类型
};

2 IP帧头

对于IP协议是再网络层传输；
比较需要注意点： 1 4位版本号就是对应我们常说的ipv4或ipv6;
2 而对于ip包的大小主要分为两块一个头大小，数据大小16位(总共就是65535字节 64KB；
而对于传输到以太网数据链路层时候只有1500字节，所以会分成很多个MTU传输发送。
3 TTL：IP包生存时间。例如ping www.baidu.com. 每经过一个网关-1，比如达到某个网关等于0时候，就原路返回目标不可达。
对于以太网帧中有proto类型，而ip帧头中也有proto，用来判断上一层是采用什么协议传输的

struct iphdr{
        unsigned char version:4,//版本号
                      hdrlen:4; // 首部长度
        unsigned char tos;      // 服务类型 
        unsigned short totlen;  // 总长度  一次性65535 64k
        unsigned short id; // 每个数据包都有一个id，tcp中也有一个seq num，与此无关
        unsigned short flag:3,
                       offset:13;
        unsigned char ttl;//生存时间    
        unsigned char proto;// 
        unsigned short check; //校验
        unsigned int sip;
        unsigned int dip;
};

3 udp帧头

udp对于包没有一个固定的id序号，所以再udp发送的时候，再协议上无法实现对包的定义，无边界。
MAC地址是以太网产物
IP地址是网络层产物
端口是传输层产物

struct udphdr{ // 帧头
        unsigned short sport;
        unsigned short dport;
        unsigned short length;
        unsigned short check;
}

4 常见的物理硬件
对于日常中的常见的硬件再那一层。
NAT:网络地址映射，将port和ip作为映射时候，工作再传输层
路由器:网络层
交换机：二层交换机只适合再局域网内，需要跨网络，则需要引入三层交换机或者路由器。
负载均衡:常见的产品有nginx(应用层，对http协议解析)，haproxy(对tcp端口，传输层)，LVS(对ip地址，网络层），F5(以太网Mac地址，再数据链路层)

5 ARP协议帧
局域网内全部机器进行广播，具体原理：
1 例如一台机器广播我是192.168.2.4（1~255之间)，你的Mac地址是多少，
2 其它机器接受到广播的ARP协议，就会返回我是192.168.2.6某某，我的Mac地址是多少；
3 主动广播的机器收到返回协议响应，再本地简历一张ARP表(主要保存IP地址和Mac地址等
查看ARP表：ARP -a

struct arphdr {
	unsigned short h_type;
	unsigned short h_proto;
	unsigned char h_addrlen;
	unsigned char protolen;
	unsigned short oper;
	unsigned char smac[ETH_ALEN];
	unsigned int sip;
	unsigned char dmac[ETH_ALEN];
	unsigned int dip;
};

6 ICMP协议帧

struct icmphdr {
	unsigned char type;
	unsigned char code;
	unsigned short check;
	unsigned short identifier;
	unsigned short seq;
	unsigned char data[32];
};