level-ip之ip数据包接口剖析

时间：2021-07-06 22:31:55

关键字： level-ip ip数据包接口

[导读]对tcp协议栈中ip数据的收发接口进行剖析

阅读本文需要对level-ip的整体架构有所了解，如果读者尚未接触过level-ip，请先阅读下面文章:
分享一款Linux平台下的tcp协议栈！超级透彻!
level-ip之虚拟网卡接口封装
level-ip之以太网数据接口封装
请根据上述文章中的指引获取leve-ip的全部源码，并且尝试在任意Linux发行版本上编译运行。

知识回顾

在前面的文章中，我们已经介绍了以太网卡的封装接口，其中主要是以下几个接口:
netdev_init():初始化网卡的ip地址、mac地址和mtu的值
netdev_receive():发送以太网帧数据
netdev_transmit():发送以太网帧数据
这几个接口是我们封装IP数据接口的基础，最好还是先搞明白原理。

网际协议(IP)介绍

IP是整个TCP/IP协议的核心，网络层协议，如UDP和TCP都需要IP提供的服务。而像ICMP和IGMP等网络层协议也基于IP协议来传输协议数据。如下图：
常见的广域网路由器就工作在IP层，它们负责将IP数据报从源主机送到目的主机，主机间的区分是通过IP地址来实现的。主机上的IP协议需要完成工作有非常多，最基本的就是数据报的发送和递交，在特殊情况下它还要完成数据报的分片和重装功能，有时候话要完成数据报的转发等工作。

IP报文组织结构

ip数据帧位于以太网数据帧的上一层，我们先来了解一下它的报文结构，如下图：
我们来详细学习一下，里面每一个字段所代表的具体含义：

版本号：IP协议版本信息，例如对于IPV4，该值为4，对于IPV6，该值为6
首部长度：以字为单位，对于不含任何选项字段的IP首部，该值为5。
服务类型字段：主要用来描述当前IP数据报急需的服务类型，如最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用等等。路由器在转发数据报时，可以根据这个字段的值来为数据包选择最合理的路由路径。
总长度：描述了整个IP数据报的总字节数。理论上说，IP数据报的总长度最大可达65535字节。但是一般以太网底层链路允许的最长数据为1500字节，因此当IP数据包过大的时候，需要对IP进行分片，然后目的主机要对IP报文重装。
标识字段：当IP数据包发生分片时，这个标识记录每个IP分片的序号，目的主机需要根据这个字段对其进行重装。
标志和分片偏移量：标志该ip数据报在转发过程是否允许分片以及是否是最后一个分片。分片偏移量记录该分片ip数据报在整个数据报中的相对位置。
生存时间（TTL）：表示该IP数据报最多能被转发的次数，每转发一次，该值减1。
协议：表示该ip数据报中的数据来自哪个上层协议。
首部校验和：针对ip首部做校验。
源IP地址：本地主机ip
目的IP地址：待接受数据的主机ip
数据区：非必需，不同的上层协议会选择性地使用该字段

构造ip首部

接下来，我们使用结构体来定义ip数据首部，该结构体定义在level-ip的include/ip.h文件中：
这两个结构体的成员变量，与我们刚才介绍的ARP报文的每个字段是一一对应的，这里不再重复解析。

IP数据报发送接口

IP数据的发送接口ip_output，会被上一层传输层协议接口调用，如UDP、TCP、ICMP等。在level-ip中，该接口函数保存在src\ip_output.c文件中。如下图：
第6行：搜索路由表，找到合适的网卡来进行ip数据的发送，发送的ip数据报需要与网卡处于同一网段。
第14行：把路由表中记录的网卡设备记录在sk_buff结构体中，该结构体负责网络数据发送的全部过程。
第15行：把路由也记录在sk_buff结构体中。
第17行：把sk_buff结构体中用来装载数据的区域，预留出ip数据包的首部
第19~39行：填充ip数据包的首部
第40行：填充ip首部的校验信息
第42行：发送数据报出去，在dst_neigh_output()函数中，将进一步调用以太网卡接口来进行数据的发送。
我们进一步来分析一下dst_neigh_output()函数，在这里会把ip数据报和arp数据的发送联合使用。如下图：
第15行：从arp缓存表中查询目标ip对应的以太网地址
第17~23行：如果arp缓存表记录了该ip地址对应的以太网地址，那么直接调用以太网数据包发送接口来进行数据发送。反之则调用arp查询接口，广播发送arp帧。

ip数据报接收接口

ip数据接收接口为ip_rcv()函数。该函数在以太网数据帧读取接口netdev_receive()函数中调用。该函数保存在src\ip_input.c文件中，我们来了解一下这个函数，如下图:
第3行：从sk_buff中读取ip首部信息
第6行：判断ip协议版本是否为ipv4，此处只支持ipv4
第7行：判断ip的首部的字节长度是否小于5字节
第16行，如果ip数据报的生存时间为0，说明已被废弃，不再处理
第22行：检查ip首部的检验。
第31行：把ip地址等字段进行小端转换
第35~45行：判断该ip协议的上层类型为ICMP还是TCP，转交数据包给上层即可。

总结

通过我们这边文章，我们已经明白了IP协议的报文结构、ip数据包的发送、IP数据包的接收处理等等。从接收函数的分析过程可知，level-ip并不支持ip数据包的分片和重装，因此也就无法支持UDP协议进行大数据报的发送。