level-ip之以太网数据接口封装

时间：2021-07-06 22:25:42

关键字： level-ip 以太网 Linux

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[导读]讲解一个小巧精致、可以直接在Linux平台下运行的tcp协议栈，带你感受源码剖析tcp的快感！

前言

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
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，我们已经介绍了虚拟网卡的封装接口，其中主要是以下几个接口:

tun_calloc():打开并设置虚拟网卡
tun_read():读取虚拟网卡数据
tun_write():发送虚拟网卡数据

这几个接口是我们封装以太网数据接口的基础，最好还是先搞明白原理。

以太网头部结构

在tcp的多层协议中，以太网数据帧位于最底层的数据链路层，如下图:
我们重点关注图片中的MAC头部(以太网头部)结构，因为它是我们最终往发送数据中填充的信息内容。我们先来看一下MAC头部的结构，如下图；
了解了以太网头部结构之后，下一步，自然就是用c语言结构体来构造这个以太网头部结构，level-ip的以太网头部结构保存在include\ethernet.h文件中，如下图:

第3行：以太网目的地址，由6个8位16进制的数字构成。表示目标主机的物理地址
第4行：以太网源地址，由6个8位16进制的数字构成。表示源主机的物理地址
第5行：帧类型，用来区分ip数据包还是arp数据包(后面会详细解析两者区别)
第6行：变长数组，gcc编译支持变长数组的用法

结构体用__attributr__关键字来设置结构体按照实际占用字节数进行对齐，而变长数组又不占据结构体内存，因此结构体实际大小为14个字节。

以太网卡管理结构体

在上面对以太网头部结构的介绍中，我们可以看到它保存着以太网源地址，这个以太网源地址实际上就对应着我们的电脑上网卡，我们知道，电脑上面实际可能会有多个网卡，因此在level-ip中必定需要一个结构体来对这些网卡进行管理，这个结构体就是struct netdev，它定义在level-ip的include\netdev.h文件上，如下图；

第2行，记录本地网卡的静态ip地址，该地址是以网络传输的数值格式保存的
第3行，记录地址长度
第4行，记录本地网卡的以太网地址，由6个8位16进制的数字构成
第5行，记录网卡的最大传输单元

以后，我们将把网卡相关信息记录在这个struct netdev结构体中，然后在发送数据时，从中获取以太网源地址。

网卡结构体初始化

上面介绍了struct netdev结构体，接下来我们看一下，level-ip是如何初始化它的。如下图:
netdev_init()函数负责初始化网卡的ip地址、mac地址和mtu的值，这个函数的调用为:main()->init_stack()->netdev_init()。在该函数里面，使用到了netdev_alloc函数，函数负责具体的初始化工作，如下图:

第3行，动态申请内存给netdev结构体使用
第5行，调用ip_parse函数，将十进制的ip地址转化为用于网络传输的数值格式
第7行，调用sscanf函数，填充以太网地址到netdev结构体
第14行，设置地址长度
第15行，设置最大单元发送长度

以太网发送接口

终于来到重头戏！level-ip的以太网发送接口为netdev_transmit()函数，该函数保存在src\netdev.c文件中，如下图:

第3行，定义了一个netdev结构体指针，前面介绍过了，这个结构体保存了本地网卡的ip、以太网地址等信息。
第4行，定义了一个eth_hdr结构体指针，我们将通过这个结构体来给数据帧填充以太网头部
第7行，从sk_buff结构体中获取netdev结构体。在用户连接网络，准备发送数据的时候，会用sk_buff来记录了待发送的数据帧和选中的网卡型号，因此能通过该结构体来获取netdev结构体，这个地方以后会进一步深入讲解
第9行，skb_push函数会把sk_buff中的数据帧指针，往前移动eth_hdr结构体大小，这样我们就能通过eth_hdr结构体来给数据帧添加以太网头部了。
第13~17行，从netdev结构体提取网卡信息，填充到数据帧头部，得到待发送的完整数据帧。
第19行，调用虚拟网卡发送函数，来进行以太网帧的数据发送。

以太网接收接口

level-ip的以太网发送接口为netdev_receive()函数，该函数保存在src\netdev.c文件中，如下图:
以太网的数据接收过程如下:
main函数中调用run_threads函数，来创建netdev_rx_loop线程，netdev_rx_loop线程负责调用虚拟网卡读取接口tun_read来读取数据，把读取到的数据缓存到sk_buff结构体后，调用netdev_receive函数来进行以太网头部解析。下面我们看netdev_receive函数分析过程:
第3行，调用eth_hdr函数，从sk_buff结构体中，获取以太网头部数据
第7行，判断该帧数据是属于ARP数据帧、IP数据帧、还是IPV6数据帧。这些概念我们下一篇文章再分析，这里只要了解以太网头部数据是怎么获取的就可以了。
第8~19行，对不同的类型的帧作进一步处理。