level-ip之ip數(shù)據(jù)包接口剖析
[導(dǎo)讀]對(duì)tcp協(xié)議棧中ip數(shù)據(jù)的收發(fā)接口進(jìn)行剖析
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(guò)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
level-ip之以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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)介紹了以太網(wǎng)卡的封裝接口，其中主要是以下幾個(gè)接口:netdev_init():初始化網(wǎng)卡的ip地址、mac地址和mtu的值
netdev_receive():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)
netdev_transmit():發(fā)送以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)
這幾個(gè)接口是我們封裝IP數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)，最好還是先搞明白原理。
網(wǎng)際協(xié)議(IP)介紹
IP是整個(gè)TCP/IP協(xié)議的核心，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如UDP和TCP都需要IP提供的服務(wù)。而像ICMP和IGMP等網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議也基于IP協(xié)議來(lái)傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)。如下圖：常見(jiàn)的廣域網(wǎng)路由器就工作在IP層，它們負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報(bào)從源主機(jī)送到目的主機(jī)，主機(jī)間的區(qū)分是通過(guò)IP地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主機(jī)上的IP協(xié)議需要完成工作有非常多，最基本的就是數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和遞交，在特殊情況下它還要完成數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重裝功能，有時(shí)候話要完成數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)等工作。
IP報(bào)文組織結(jié)構(gòu)
ip數(shù)據(jù)幀位于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的上一層，我們先來(lái)了解一下它的報(bào)文結(jié)構(gòu)，如下圖：我們來(lái)詳細(xì)學(xué)習(xí)一下，里面每一個(gè)字段所代表的具體含義：
- 版本號(hào)：IP協(xié)議版本信息，例如對(duì)于IPV4，該值為4，對(duì)于IPV6，該值為6
- 首部長(zhǎng)度：以字為單位，對(duì)于不含任何選項(xiàng)字段的IP首部，該值為5。
- 服務(wù)類型字段：主要用來(lái)描述當(dāng)前IP數(shù)據(jù)報(bào)急需的服務(wù)類型，如最小延時(shí)、最大吞吐量、最高可靠性、最小費(fèi)用等等。路由器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，可以根據(jù)這個(gè)字段的值來(lái)為數(shù)據(jù)包選擇最合理的路由路徑。
- 總長(zhǎng)度：描述了整個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的總字節(jié)數(shù)。理論上說(shuō)，IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度最大可達(dá)65535字節(jié)。但是一般以太網(wǎng)底層鏈路允許的最長(zhǎng)數(shù)據(jù)為1500字節(jié)，因此當(dāng)IP數(shù)據(jù)包過(guò)大的時(shí)候，需要對(duì)IP進(jìn)行分片，然后目的主機(jī)要對(duì)IP報(bào)文重裝。
- 標(biāo)識(shí)字段：當(dāng)IP數(shù)據(jù)包發(fā)生分片時(shí)，這個(gè)標(biāo)識(shí)記錄每個(gè)IP分片的序號(hào)，目的主機(jī)需要根據(jù)這個(gè)字段對(duì)其進(jìn)行重裝。
- 標(biāo)志和分片偏移量：標(biāo)志該ip數(shù)據(jù)報(bào)在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程是否允許分片以及是否是最后一個(gè)分片。分片偏移量記錄該分片ip數(shù)據(jù)報(bào)在整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中的相對(duì)位置。
- 生存時(shí)間（TTL）：表示該IP數(shù)據(jù)報(bào)最多能被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，每轉(zhuǎn)發(fā)一次，該值減1。
- 協(xié)議：表示該ip數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)上層協(xié)議。
- 首部校驗(yàn)和：針對(duì)ip首部做校驗(yàn)。
- 源IP地址：本地主機(jī)ip
- 目的IP地址：待接受數(shù)據(jù)的主機(jī)ip
- 數(shù)據(jù)區(qū)：非必需，不同的上層協(xié)議會(huì)選擇性地使用該字段
構(gòu)造ip首部
接下來(lái)，我們使用結(jié)構(gòu)體來(lái)定義ip數(shù)據(jù)首部，該結(jié)構(gòu)體定義在level-ip的include/ip.h文件中：這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量，與我們剛才介紹的ARP報(bào)文的每個(gè)字段是一一對(duì)應(yīng)的，這里不再重復(fù)解析。
IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送接口
IP數(shù)據(jù)的發(fā)送接口ip_output，會(huì)被上一層傳輸層協(xié)議接口調(diào)用，如UDP、TCP、ICMP等。在level-ip中，該接口函數(shù)保存在src\ip_output.c文件中。如下圖：第6行：搜索路由表，找到合適的網(wǎng)卡來(lái)進(jìn)行ip數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送的ip數(shù)據(jù)報(bào)需要與網(wǎng)卡處于同一網(wǎng)段。
第14行：把路由表中記錄的網(wǎng)卡設(shè)備記錄在sk_buff結(jié)構(gòu)體中，該結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送的全部過(guò)程。
第15行：把路由也記錄在sk_buff結(jié)構(gòu)體中。
第17行：把sk_buff結(jié)構(gòu)體中用來(lái)裝載數(shù)據(jù)的區(qū)域，預(yù)留出ip數(shù)據(jù)包的首部
第19~39行：填充ip數(shù)據(jù)包的首部
第40行：填充ip首部的校驗(yàn)信息
第42行：發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)出去，在dst_neigh_output()函數(shù)中，將進(jìn)一步調(diào)用以太網(wǎng)卡接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。
我們進(jìn)一步來(lái)分析一下dst_neigh_output()函數(shù)，在這里會(huì)把ip數(shù)據(jù)報(bào)和arp數(shù)據(jù)的發(fā)送聯(lián)合使用。如下圖：
第15行：從arp緩存表中查詢目標(biāo)ip對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)地址
第17~23行：如果arp緩存表記錄了該ip地址對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)地址，那么直接調(diào)用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。反之則調(diào)用arp查詢接口，廣播發(fā)送arp幀。
ip數(shù)據(jù)報(bào)接收接口
ip數(shù)據(jù)接收接口為ip_rcv()函數(shù)。該函數(shù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀讀取接口netdev_receive()函數(shù)中調(diào)用。該函數(shù)保存在src\ip_input.c文件中，我們來(lái)了解一下這個(gè)函數(shù)，如下圖:第3行：從sk_buff中讀取ip首部信息
第6行：判斷ip協(xié)議版本是否為ipv4，此處只支持ipv4
第7行：判斷ip的首部的字節(jié)長(zhǎng)度是否小于5字節(jié)
第16行，如果ip數(shù)據(jù)報(bào)的生存時(shí)間為0，說(shuō)明已被廢棄，不再處理
第22行：檢查ip首部的檢驗(yàn)。
第31行：把ip地址等字段進(jìn)行小端轉(zhuǎn)換
第35~45行：判斷該ip協(xié)議的上層類型為ICMP還是TCP，轉(zhuǎn)交數(shù)據(jù)包給上層即可。
總結(jié)
通過(guò)我們這邊文章，我們已經(jīng)明白了IP協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)、ip數(shù)據(jù)包的發(fā)送、IP數(shù)據(jù)包的接收處理等等。從接收函數(shù)的分析過(guò)程可知，level-ip并不支持ip數(shù)據(jù)包的分片和重裝，因此也就無(wú)法支持UDP協(xié)議進(jìn)行大數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送。
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