level-ip之以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口封裝

時(shí)間：2021-07-06 22:25:42

關(guān)鍵字： level-ip 以太網(wǎng) Linux

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[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(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
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(kāi)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)

這幾個(gè)接口是我們封裝以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)，最好還是先搞明白原理。

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(lái)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(yǔ)言結(jié)構(gòu)體來(lái)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:

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
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
第5行：幀類(lèi)型，用來(lái)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)
第6行：變長(zhǎng)數(shù)組，gcc編譯支持變長(zhǎng)數(shù)組的用法

結(jié)構(gòu)體用__attributr__關(guān)鍵字來(lái)設(shè)置結(jié)構(gòu)體按照實(shí)際占用字節(jié)數(shù)進(jìn)行對(duì)齊，而變長(zhǎng)數(shù)組又不占據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)存，因此結(jié)構(gòu)體實(shí)際大小為14個(gè)字節(jié)。

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(lái)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
第3行，記錄地址長(zhǎng)度
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
第5行，記錄網(wǎng)卡的最大傳輸單元

以后，我們將把網(wǎng)卡相關(guān)信息記錄在這個(gè)struct netdev結(jié)構(gòu)體中，然后在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從中獲取以太網(wǎng)源地址。

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(lái)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:

第3行，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存給netdev結(jié)構(gòu)體使用
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
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
第14行，設(shè)置地址長(zhǎng)度
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(lái)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(guò)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。
第4行，定義了一個(gè)eth_hdr結(jié)構(gòu)體指針，我們將通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)給數(shù)據(jù)幀填充以太網(wǎng)頭部
第7行，從sk_buff結(jié)構(gòu)體中獲取netdev結(jié)構(gòu)體。在用戶(hù)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(lái)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(guò)該結(jié)構(gòu)體來(lái)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
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(guò)eth_hdr結(jié)構(gòu)體來(lái)給數(shù)據(jù)幀添加以太網(wǎng)頭部了。
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。
第19行，調(diào)用虛擬網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，來(lái)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(guò)程如下:
main函數(shù)中調(diào)用run_threads函數(shù)，來(lái)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(lái)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(lái)進(jìn)行以太網(wǎng)頭部解析。下面我們看netdev_receive函數(shù)分析過(guò)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(lèi)型的幀作進(jìn)一步處理。