用户态协议栈的实现
协议栈
协议栈，指的是TCP/IP协议栈。linux系统中，协议栈是内核实现的。
协议，是通信双方对包格式的一种约定。
为什么是栈呢？因为对于包的组织，类似于栈的数据结构。发送端组织包的顺序是应用层->传输层->网络层->数据链路层，之后通过网卡将数字信号转换成光电信号，发送给接收端；接收端的网卡将光电信号转换成数字信号，解包的顺序是数据链路层->网络层->传输层->应用层。
如何拿到最原始的数据？
- raw socket，socket的第二个参数，可以设置SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM. SOCK_RAW就可以拿到以太网数据。tcpdump、wireshark就是利用这种方法。
- netmap
- dpdk
网卡的作用
Client发送数据给server，数据首先到达网卡，经过两步到达应用程序
1）将数据从网卡的内存copy到内核协议栈，内核协议栈对数据包进行解析；
2）应用程序通过调用recv函数，将数据从内核copy进用户空间，得到应用层的数据包。
网卡的作用，接收的时候，是将光电信号转换成数字信号；发送的时候，将数字信号转换成光电信号。
什么是用户态协议栈？
就是将协议栈，做到应用程序。为什么要这么做呢？减少了一次数据copy的过程，绕过内核，数据可以直接从网卡copy到应用程序，对于性能会有很大的提升。
为什么要有用户态协议栈呢？
是为了解决C10M的问题。
之前说过C10K的问题，使用epoll可以解决C10K的问题。现在epoll已经可以支持两三百万的并发了。
什么是C10M问题？
实现10M(即1千万)的并发连接挑战意味着什么：(网上找的)
1）1千万的并发连接数；
2）100万个连接/秒：每个连接以这个速率持续约10秒；
3）10GB/秒的连接：快速连接到互联网；
4）1千万个数据包/秒：据估计目前的服务器每秒处理50K数据包，以后会更多；
5）10微秒的延迟：可扩展服务器也许可以处理这个规模(但延迟可能会飙升);
6）10微秒的抖动：限制最大延迟；
7）并发10核技术：软件应支持更多核的服务器(通常情况下，软件能轻松扩展到四核，服务器可以扩展到更多核，因此需要重写软件，以支持更多核的服务器).
我们来计算一下，单机承载1000万连接，需要的硬件资源：
内存：1个连接，大概需要4k recvbuffer，4k sendbuffer，一共需要10M * 8k = 80G
CPU：10M 除以 50K = 200核
只是支持这么多连接，还没有做其他事情，就需要这么多的资源，如果在加上其他的限制，加上业务的处理，资源肯定会更多。使用用户态协议栈，可以减少一次数据的copy，可以节省很大一部分资源。
要实现用户态协议栈，很关键的一个问题，是网络数据怎么才能绕过内核，直接到达用户空间？netmap、dpdk为用户态协议栈的实现，提供了可能。
这次我们使用了netmap实现用户态协议栈，后面会介绍dpdk。
netmap原理
netmap主要利用了mmap，将网卡中数据，直接映射到内存。netmap直接接管网卡数据，可以绕过内核协议栈。我们直接在应用程序中实现协议栈，对协议进行解析，就可以获取到网络数据了。
零拷贝，使用的是mmap方式，本质是DMA的方式，不需要CPU参与。普通copy，从磁盘copy数据到内存，需要CPU的move指令。sendfile使用的是mmap方式。**零拷贝主要是说CPU有没有参与，而不是说有没有copy。**是由主板上的DMA芯片将外设的数据copy到内存。
netmap可以在github上下载，按照上面的readme编译安装，使用比较方便。
https://github.com/luigirizzo/netmap
利用netmap实现用户态协议栈
以太网头定义
typedef struct _ethhdr {
unsigned char h_dst[ETH_ADDR_LENGTH];
unsigned char h_src[ETH_ADDR_LENGTH];
unsigned short h_proto;
} ethhdr;
IP头定义
typedef struct _iphdr {
unsigned char hdrlen:4, // ip头长度，最大15*4=60字节
version:4;
unsigned char tos;
unsigned short length;
unsigned short id;
unsigned short flag_offset;
unsigned char ttl; // time to live ping的ttl就是ip头里面的ttl
unsigned char type;
unsigned short check;
unsigned int sip;
unsigned int dip;
} iphdr;
UDP头定义
UDP比TCP要简单很多，没有序列号，无法保证消息必达；也做不了重传；没有拥塞控制。
typedef struct _udphdr {
unsigned short sport;
unsigned short dport;
unsigned short length;
unsigned short check;
} udphdr;
UDP包定义
UDP包组成：以太网头 + IP头 + UDP头 + UDP数据。
以太网头、IP头、UDP头都已经定义好了，这里有一个问题，UDP数据怎么定义？
用指针是不合适的，这里引入了零长数组，也叫柔性数组。
typedef struct _udppkt {
ethhdr eh; // 14
iphdr ip; // 20
udphdr udp; // 8
unsigned char data[0];
} udppkt;
柔性数组的好处，是不占空间，只是占了一个位置，作用相当于标签。
零长数组使用条件：
- 不关心长度，可以通过某种方法计算出它的长度，比如通过udp头的length能够计算出来用户数据的长度；
- 它的内存是提前分配好的，不会越界。
因为4字节对齐的关系，sizeof(udppkt)的结果是44，所以需要使用单字节对齐，结果就是42。
#pragma pack(1)
使用netmap处理UDP包
nm_open主要做了两个事情：
- 把网卡的内存映射到内存；
- 把fd指向eth0对应的设备文件。
通过检测fd，就可以判断网卡是否有数据，有数据就可以直接操作内存。
如果来了一个数据，如果数据很多，网卡需要进行模拟信号和数字信号转换，DMA也需要不断把数据映射到内存，怎么把多个数据包给组织起来？比如一下来100个包，怎么把这100个包组织起来？
使用ringbuff。
对于大量数据，从网卡将数据取到内存中，CPU有两种做法：
- 轮询
- 事件
对于大量数据，使用轮询方式比较好。这就是网络这一层，从网卡里面取数据的两种方法。事件的方式针对稀疏型的数据。
nm_nextpkt是操作内存，取出来的就是一个完整的包。
之后通过去掉以太网头，IP头，UDP头，得到用户数据。
int main() {
struct nm_pkthdr h; // ringbuff的指针
struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth1", NULL, 0, NULL);
if (nmr == NULL) return -1;
struct pollfd pfd = {0};
pfd.fd = nmr->fd;
pfd.events = POLLIN;
while (1) {
int ret = poll(&pfd, 1, -1);
if (ret < 0) continue;
if (pfd.events & POLLIN) {
unsigned char *stream = nm_nextpkt(nmr, &h); // ringbuff
ethhdr *eh = (ethhdr*)stream;
if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP) {
udppkt *udp = (udppkt*)stream;
if (udp->ip.type == PROTO_UDP) {
int udplen = ntohs(udp->udp.length);
udp->data[udplen - 8] = '\0';
printf("udp --> %s\n", udp->data);
}
}
}
}
}
程序编译运行后，是可以成功打印udp数据的。
运行的时候，注意要使用两块网卡，不然eth0的网卡被我们的程序接管了，ssh就无法登陆了。
但是会有一个问题，程序运行一段时间后，无法处理udp包了。
原因是机器会维护一个arp表，就是ip和mac地址的对应关系表，arp表会老化，过期了之后，如果要向目标机器发送消息，会重新发送arp请求，由于我们的程序接管了机器的网卡，但是却没有处理arp请求，导致对端的arp表中没有我们这台机器的数据。
arp协议实现
arp头定义
typedef struct _aprhdr {
unsigned short h_type;
unsigned short protocol;
unsigned char h_addr_len;
unsigned char p_addr_len;
unsigned short oper;
unsigned char smac[ETH_ADDR_LENGTH];
unsigned int sip;
unsigned char dmac[ETH_ADDR_LENGTH];
unsigned int dip;
} arphdr;
arp包定义
typedef struct _arppkt {
ethhdr eh;
arphdr arp;
} arppkt;
处理arp包
解析arp包，将源ip、源mac和目的ip、目的mac互换，并且将oper设置为2(arp 请求时1，回复是2)，就可以了。
int main() {
struct nm_pkthdr h; // ringbuff的指针
struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth1", NULL, 0, NULL);
if (nmr == NULL) return -1;
struct pollfd pfd = {0};
pfd.fd = nmr->fd;
pfd.events = POLLIN;
while (1) {
int ret = poll(&pfd, 1, -1);
if (ret < 0) continue;
if (pfd.events & POLLIN) {
unsigned char *stream = nm_nextpkt(nmr, &h); // ringbuff
ethhdr *eh = (ethhdr*)stream;
if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP) {
udppkt *udp = (udppkt*)stream;
if (udp->ip.type == PROTO_UDP) {
int udplen = ntohs(udp->udp.length);
udp->data[udplen - 8] = '\0';
printf("udp --> %s\n", udp->data);
}
} else if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_ARP) {
arppkt *arp = (arppkt *)stream;
arppkt arp_rt;
if (arp->arp.dip == inet_addr("10.36.121.51")) { // 去掉if判断，就可以做arp攻击
echo_arp_pkt(arp, &arp_rt, "fa:16:3e:72:4c:ca");
nm_inject(nmr, &arp_rt, sizeof(arp_rt));
printf("arp ret\n");
}
}
}
}
}
arp攻击
客户端发送请求的时候，如果发现目的地址不在arp表当中，会自动发送一个arp请求。
arp请求是向局域网内所有的机器发送请求，要获取目标ip对应的机器，也就是mac地址。如果对于任何arp请求，你会进行回复，就会造成arp欺骗，也就是arp攻击。
在上面的代码中，如果不对arp包中的目的ip进行判断，就可以实现arp攻击。
if (arp->arp.dip == inet_addr("10.36.121.51")) { // 去掉if判断，就可以做arp攻击
完整代码
#include