level-ip之以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口封裝
[導(dǎo)讀]講解一個(gè)小巧精致、可以直接在Linux平臺(tái)下運(yùn)行的tcp協(xié)議棧，帶你感受源碼剖析tcp的快感！
前言
閱讀本文需要對(duì)level-ip的整體架構(gòu)有所了解，如果讀者尚未接觸過level-ip，請(qǐng)先閱讀下面文章:分享一款Linux平臺(tái)下的tcp協(xié)議棧！超級(jí)透徹!
level-ip之虛擬網(wǎng)卡接口封裝
請(qǐng)根據(jù)上述文章中的指引獲取leve-ip的全部源碼，并且嘗試在任意Linux發(fā)行版本上編譯運(yùn)行。
知識(shí)回顧
在前面的文章中，我們已經(jīng)介紹了虛擬網(wǎng)卡的封裝接口，其中主要是以下幾個(gè)接口:- tun_calloc():打開并設(shè)置虛擬網(wǎng)卡
- tun_read():讀取虛擬網(wǎng)卡數(shù)據(jù)
- tun_write():發(fā)送虛擬網(wǎng)卡數(shù)據(jù)
以太網(wǎng)頭部結(jié)構(gòu)
在tcp的多層協(xié)議中，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀位于最底層的數(shù)據(jù)鏈路層，如下圖:我們重點(diǎn)關(guān)注圖片中的MAC頭部(以太網(wǎng)頭部)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗俏覀冏罱K往發(fā)送數(shù)據(jù)中填充的信息內(nèi)容。我們先來看一下MAC頭部的結(jié)構(gòu)，如下圖；
了解了以太網(wǎng)頭部結(jié)構(gòu)之后，下一步，自然就是用c語言結(jié)構(gòu)體來構(gòu)造這個(gè)以太網(wǎng)頭部結(jié)構(gòu)，level-ip的以太網(wǎng)頭部結(jié)構(gòu)保存在include\ethernet.h文件中，如下圖:
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第3行：以太網(wǎng)目的地址，由6個(gè)8位16進(jìn)制的數(shù)字構(gòu)成。表示目標(biāo)主機(jī)的物理地址
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第4行：以太網(wǎng)源地址，由6個(gè)8位16進(jìn)制的數(shù)字構(gòu)成。表示源主機(jī)的物理地址
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第5行：幀類型，用來區(qū)分ip數(shù)據(jù)包還是arp數(shù)據(jù)包(后面會(huì)詳細(xì)解析兩者區(qū)別)
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第6行：變長(zhǎng)數(shù)組，gcc編譯支持變長(zhǎng)數(shù)組的用法
以太網(wǎng)卡管理結(jié)構(gòu)體
在上面對(duì)以太網(wǎng)頭部結(jié)構(gòu)的介紹中，我們可以看到它保存著以太網(wǎng)源地址，這個(gè)以太網(wǎng)源地址實(shí)際上就對(duì)應(yīng)著我們的電腦上網(wǎng)卡，我們知道，電腦上面實(shí)際可能會(huì)有多個(gè)網(wǎng)卡，因此在level-ip中必定需要一個(gè)結(jié)構(gòu)體來對(duì)這些網(wǎng)卡進(jìn)行管理，這個(gè)結(jié)構(gòu)體就是struct netdev，它定義在level-ip的include\netdev.h文件上，如下圖；-
第2行，記錄本地網(wǎng)卡的靜態(tài)ip地址，該地址是以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)值格式保存的
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第3行，記錄地址長(zhǎng)度
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第4行，記錄本地網(wǎng)卡的以太網(wǎng)地址，由6個(gè)8位16進(jìn)制的數(shù)字構(gòu)成
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第5行，記錄網(wǎng)卡的最大傳輸單元
網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)體初始化
上面介紹了struct netdev結(jié)構(gòu)體，接下來我們看一下，level-ip是如何初始化它的。如下圖:netdev_init()函數(shù)負(fù)責(zé)初始化網(wǎng)卡的ip地址、mac地址和mtu的值，這個(gè)函數(shù)的調(diào)用為:main()->init_stack()->netdev_init()。在該函數(shù)里面，使用到了netdev_alloc函數(shù)，函數(shù)負(fù)責(zé)具體的初始化工作，如下圖:
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第3行，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存給netdev結(jié)構(gòu)體使用
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第5行，調(diào)用ip_parse函數(shù)，將十進(jìn)制的ip地址轉(zhuǎn)化為用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)值格式
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第7行，調(diào)用sscanf函數(shù)，填充以太網(wǎng)地址到netdev結(jié)構(gòu)體
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第14行，設(shè)置地址長(zhǎng)度
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第15行，設(shè)置最大單元發(fā)送長(zhǎng)度
以太網(wǎng)發(fā)送接口
終于來到重頭戲！level-ip的以太網(wǎng)發(fā)送接口為netdev_transmit()函數(shù)，該函數(shù)保存在src\netdev.c文件中，如下圖:-
第3行，定義了一個(gè)netdev結(jié)構(gòu)體指針，前面介紹過了，這個(gè)結(jié)構(gòu)體保存了本地網(wǎng)卡的ip、以太網(wǎng)地址等信息。
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第4行，定義了一個(gè)eth_hdr結(jié)構(gòu)體指針，我們將通過這個(gè)結(jié)構(gòu)體來給數(shù)據(jù)幀填充以太網(wǎng)頭部
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第7行，從sk_buff結(jié)構(gòu)體中獲取netdev結(jié)構(gòu)體。在用戶連接網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)用sk_buff來記錄了待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和選中的網(wǎng)卡型號(hào)，因此能通過該結(jié)構(gòu)體來獲取netdev結(jié)構(gòu)體，這個(gè)地方以后會(huì)進(jìn)一步深入講解
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第9行，skb_push函數(shù)會(huì)把sk_buff中的數(shù)據(jù)幀指針，往前移動(dòng)eth_hdr結(jié)構(gòu)體大小，這樣我們就能通過eth_hdr結(jié)構(gòu)體來給數(shù)據(jù)幀添加以太網(wǎng)頭部了。
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第13~17行，從netdev結(jié)構(gòu)體提取網(wǎng)卡信息，填充到數(shù)據(jù)幀頭部，得到待發(fā)送的完整數(shù)據(jù)幀。
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第19行，調(diào)用虛擬網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，來進(jìn)行以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)發(fā)送。
以太網(wǎng)接收接口
level-ip的以太網(wǎng)發(fā)送接口為netdev_receive()函數(shù)，該函數(shù)保存在src\netdev.c文件中，如下圖:以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接收過程如下:
main函數(shù)中調(diào)用run_threads函數(shù)，來創(chuàng)建netdev_rx_loop線程，netdev_rx_loop線程負(fù)責(zé)調(diào)用虛擬網(wǎng)卡讀取接口tun_read來讀取數(shù)據(jù)，把讀取到的數(shù)據(jù)緩存到sk_buff結(jié)構(gòu)體后，調(diào)用netdev_receive函數(shù)來進(jìn)行以太網(wǎng)頭部解析。下面我們看netdev_receive函數(shù)分析過程:
第3行，調(diào)用eth_hdr函數(shù)，從sk_buff結(jié)構(gòu)體中，獲取以太網(wǎng)頭部數(shù)據(jù)
第7行，判斷該幀數(shù)據(jù)是屬于ARP數(shù)據(jù)幀、IP數(shù)據(jù)幀、還是IPV6數(shù)據(jù)幀。這些概念我們下一篇文章再分析，這里只要了解以太網(wǎng)頭部數(shù)據(jù)是怎么獲取的就可以了。
第8~19行，對(duì)不同的類型的幀作進(jìn)一步處理。
總結(jié)
通過我們這邊文章，我們已經(jīng)明白了以太網(wǎng)幀頭部的三要素：-
以太網(wǎng)目的地址
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以太網(wǎng)源地址
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以太網(wǎng)幀類型
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