[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。
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