(旅游归来,先把这个系列的剩下两个 Lab 补完╰( ̄▽ ̄)╭)
完成 Lab 4 后,恭喜你已经翻越了本门课程的最高峰,完成了传输层 TCP 协议的主体实现。剩下的两个 Lab 则是向下看,在网络层和链路层上实现一些功能,如讲义中下图所示。
实现前 4 个 Lab 后,我们已经能自行构造一个完整的 TCP 数据包。要将这个数据包传输到另一个终端,在实际操作上有以下几种方式:
- TCP-in-UDP-in-IP。Linux 提供了接口 UDPSocket,用户只需提交负载数据,所有层的打包工作由系统完成。于是可以将我们的 TCP 包利用这个接口套在 UDP 包中发送。
- TCP-in-IP。直接将 TCP 包放在 IP 数据报中发送。Linux 提供了 TUN,用户需提交完整的 IP 包,链路层打包由系统完成。注意课程组的代码中已经提供了 TCP 到 IP 包打包的实现,Lab 4 的测试中也已经使用过。
- TCP-in-IP-in-Ethernet。Linux 还提供了 TAP,用户直接提交链路层的完整帧,系统负责收送。这两节的 Lab 我们将要使用的就是这种方式,也就是要自己实现网络层和链路层上的一些功能。
具体来说,本节要实现的是一个网络层和链路层间的接口 NetworkInterface,解决数据包的收发问题。下一节我们还会继续用这个接口实现网络层的路由功能。
网络层 IP 地址与链路层 MAC 地址存在对应关系,当源主机不知道一个 IP 数据报的目标 IP 地址对应的 MAC 地址时,应该通过 ARP 地址解析协议,广播一个 ARP 请求,该 IP 的主机收到请求后产生 ARP 回复,告知自己的 MAC 地址,源主机收到回复记录该对应关系形成 ARP cache。该缓存也有时效性。ARP 协议的具体内容可以参考维基百科。
本次需实现的接口函数共 3 个:
-
发送:
void NetworkInterface::send_datagram(const InternetDatagram &dgram, const Address &next_hop)
。
将一个 IP 数据报InternetDatagram
打包成以太网帧EthernetFrame
。所谓发送和之前一样,将帧 push 到一个队列_frames_out
中即可。如果next_hop
对应的 MAC 地址不知道,就要用上面所说的 ARP 协议,广播 ARP 请求并将 IP 数据报暂存。请求相同 IP 地址的 MAC 地址的数据包至少 相隔 5 秒 才能重复发送。 -
接收:
optional<InternetDatagram> NetworkInterface::recv_frame(const EthernetFrame &frame)
。
接收一个以太网帧,如果解析为 IP 数据报,则取出内容并返回;如果为 ARP,记录源主机的 IP 和 MAC 地址映射关系,如果查询的 IP 地址是自身,则产生 ARP 回复。记录的有效期是 30 秒,过期则废弃。 -
时间更新:
void NetworkInterface::tick(const size_t ms_since_last_tick)
。与之前 Lab 相同的被动时间感知。
代码实现按逻辑即可,没什么坑点,直接放链接:
network_interface.hh
network_interface.cc
通关截图: