C/C++ Linux 用户态协议栈的实现

一、前言

　　在讲网络协议栈前，先理解一个数据包在网络传输是一个怎么样的流程，如下图所示。

　　正常的流程是网卡接收到数据后，把数据copy到协议栈（sk_buff），协议栈把sk_buff数据解析完后再把数据放到recv_buff，此时应用程序调用recv把数据从协议栈copy到应用程序；发送数据包，则与之相反，应用程序调用send把数据包copy到send_buff，协议栈从send_buff取数据放到sk_buff，交给网卡发送出去。这个过程有多次拷贝，为避免多次拷贝，使用dma的方式（零拷贝），把网卡的数据直接映射到内存，再由应用程序访问内存。

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二、数据包分析

　　从网卡接收到一帧完整的数据包，可以使用原生的socket、netmap、dpdk等，完整的一帧数据由以太网头、IP头、tcp/udp头、用户数据构成，这些层级涉及到7层网络模型OSI，如udp协议分布到7层OSI如下图所示。

　　由上图可知，以太网头属于链路层、IP头属于网络层、UDP头属于传输层，而实际的用户数据在应用层。

　　（1）以太网头

　　　　以太网头分布如下图所示。

　　　　对应结构体如下，由此可知MAC地址存在以太网头。

#define ETH_LEN 6
 
//14字节以太网头---->链路层---->MAC地址，
struct ethhdr{
    unsigned char dst[ETH_LEN];//6字节 目的地址即MAC地址
    unsigned char src[ETH_LEN];//6字节 源地址
    unsigned short proto;//2字节 协议类型，形容网络层使用的协议
}
//在计算上没有那个固件叫MAC地址，IP地址、端口
//所谓的MAC地址，IP地址、端口只不过是协议栈里面一个字段名而已，不要与固件捆绑

　　（2）IP头

　　　　IP头结构如下图所示。

　　　　其数据结构如下所示，IP地址在IP头中，属于网络层。

//iphdr（ip头）---->网络层--->IP地址
struct iphdr{
    unsigned char version:4,//4位版本
                    hdrlen:4;//4位首部长度
    unsigned char tos;//8位服务类型
    unsigned short totlen