网络协议栈CH8及CH23
2023-04-25

昨晚搞到快两点，今天9.30才起床，希望11点半之前能搞完去吃饭😭

第八章 IP：网际协议

IP分组

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参照上图，有几个基本概念（本例中的传输层协议为UDP）：

  • 报文：由传输层送至IP的数据报，本身包含传输层首部和数据
  • 数据报：IP在报文的前面加上自己的IP首部，且根据长度考虑是否分片（上图1-2行）
  • 帧：IP将分好片的数据报交给数据链路层，数据链路填上自己的首部后变为帧（上图3行）
  • 分组：一个分片的数据报或者一个不需分片的数据报为分组

需注意的是IP数据报结构存储不受机器大小端的影响，均按照下面地址结构存储

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IP数据报结构如上图所示，上面的个部分含义已在图中标出

可能需注意的地方：ip_hl常用4字节度量，即当ip_hl == 5时，实际首部长度为5*4=20。其中选项的部分为0~40不等，所以ip_hl的最大值为：(20+40)/4 = 15，最小值为：20/4=5。另外，由于ip_hl为4的倍数，所以选项的长度一般也为4的倍数。

ipintr函数

void ipintr ()
{
        struct ip *ip;
        struct mbuf *m;
        struct ipq *fp;
        struct in_ifaddr *ia;
        int hlen, s;
    next:
        /*
            Get next datagram off input queue and get IP header
            in first mbuf.
        */
        s = splimp() ;
        IF_DEQUEUE (&ipintrq, m) ;
        sp1x(s);
        if(m==0) return;
        /*
            很多很多代码😭
        */
        goto next；
    bad:
        m_freem(m);
        goto next;
}

该函数的基本框架如上，大致就是依靠两个goto实现对分组处理的循环，直到队列为空结束。中间省略的代码主要做下面几件事（实在太长了）：

  1. 验证：把分组从ipintrq中取出，验证它们的内容，损坏和有差错的分组自动被丢弃。
  2. 转发或不转发：调用ip_dooptions来处理IP选项，如果没到达最终目的地就尝试转发，反之交给对应传输层协议
  3. 重装（重装在第10章讲，那我就不管了，开摆！）
  4. 分用：重装完全的数据报，ip指针设置为到达目的地的完整数据报，反之为空

ip_forward函数

到达非目的地的分组需要被转发。只有当ipforwarding非零或当分组中包含源路由时，ipintr才调用该函数ip_forward实现转发。ip_forward依靠route结构体与路由表接口

struct route{
    struct rtentry *ro_rt;
    struct sockaddr ro_dst;
}
  • ro_rt 指向与路由表相关的rtentry结构体
  • ro_dst 指向存放目的地址信息的sockaddr结构体

ip_forward()的基本流程分为两部分：

  • 确定系统是否需要转发此分组，修改IP首部，位分组选择路由
  • 处理ICMP重定向报文，并把分组交给ip_output进行转发

流程中可能需注意的点：

  • IP转发算法把最近的路由缓存在全局route结构的ipforward_rt中
  • 当转发错误时，由且仅由路由器向源主机返回ICMP重定向报文，以此更新主机路由表

ip_output

ip_output为IP输出代码，主要为三部分：

  • 首部初始化
  • 路由选择
  • 源地址选择和分片

第23章 UDP

整体数据传输框架

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整体框架如上图所示，从上到下分别是：

用户进程(应用层)–>UDP(传输层)–>IP(网络层)–>数据链路层–>硬件网卡(物理层)

UDP 首部

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UDP首部如上图所示，对应域的含义也有标记。需要注意的是IP首部和UDP首部一般是紧挨在一起，我们在CH1-CH3中分析mbuf时已经可以注意到这种现象。而实际上在udp内相关函数（如udp_input,udp_output）处理时也会将两者放在一起使用，他们共同构成了结构体udpiphdr，如下所示：

struct udpiphdr{
    struct ippvly ui_i; 	/* overlaid	ip structure*/
    struct udphdr ui_u;		/* udp header*/
}

20字节的IP首部被定义为 ippvly结构体，如下所示，可自行对照IP首部结构图：

struct ipov1y {
caddr_t ih_next, ih_prev;	/* for protocol sequence q's */
u_char ih_x1; 				/* (unused) */
u_char ih_pr;				/* protocol */
short ih_len;				/* protocol length */
struct in_addr ih_src; 		/* source internet address */
struct in_addr ih_dst; 		/* destination internet address */
};

udp_init函数

初始化函数，用来构建PCB双向链表的起始，让头部PCB的next指针和prev指针都指向自己。需注意UDP临时端口号由1024开始分配

前0~1023端口为常用端口，一般都有固定对应服务，想要监听这些端口时也需要sudo权限

PCB是22章的概念：PCB协议控制块存放各UDP和TCP插口所要求的多个信息片，UDP所需要的所有信息都可以在Internet PCB中找到，不存在UDP控制块

udp_out函数

当程序调用send，sendto，sendmsg，write或writev时会发生UDP输出。基本流程如下图：image-20230425111210300

udp_output主要干这几件事：

  • 添加IP/UDP首部，具体过程可以看前三章分析mbuf的部分
  • 检验和计算和伪首部

我们在前三章分析mbuf时说到过，udp会填写一部分首部，ip会填写一部分首部，这里就是分别调用udp_output,ip_output实现的image-20230425111755234

下图中阴影部分由ip_output()填写，其余浅色部分交由udp_output()填写

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UDP在检验和时会包含三部分内容：12字节的伪首部，8字节的UDP首部，UDP数据

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伪首部和UDP首部如上图所示，下图是填充首部和检验和的整个示意图

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CRC校验码

这部分机组的时候学过，自行适当复习一下，课件例题如下

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udp_input函数

当IP在它的协议字段指定为UDP的输入队列上收到一个IP数据报时，才发生UDP的输入。IP通过协议交换表中的pr_input函数调用函数udp_input。因为IP的输入是在软件中断级，所以udp_input也在这一级上执行。udp_input的目标是把UDP数据报放置到合适的插口的缓存内，唤醒该插口上因输入阻塞的所有进程。udp_input 函数的主要分三个部分:

  • UDP对收到的数据报完成一般性的确认;

  • 处理目的地是单播地址的UDP数据报：找到合适的PCB,把数据报放到插口的缓存内，

  • 处理目的地是广播或多播地址的UDP数据报：必须把数据报提交给多个插口。

确认部分可以继续复习前三章mbuf分析部分，个人感觉这本章和前三章关系还是比较紧密的，可以多对照看看

课后练习题

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