在上一篇文章中，知道了为什么要有用户态协议栈，它具备什么功能。
今天来讲述，如何实现一个用户态协议栈。
它的原理就是， 将TCP/UDP到达网卡经解析后的数据，存储起来， 然后存储的位置通过映射的方法，直接到达应用程序处理。
网络协议栈
请问，网卡是属于哪一层协议栈？
先解释一下，
物理层 传输的是 物理信号， 即 光电信号。
数据链路层 ， 对应的是 数字信号。
而从物理层的 光电信号 转化为 数据链路层的 数字信号， 靠的是 网卡。
网卡， 也可将 数字信号转为 光电信号。
所以，网卡并不属于网络协议栈里的任何一层。
UDP数据包的结构图
它是一层一层的，往外包的。
以太网协议
mac地址是以太网产物
mac地址有什么用？
mac地址，在局域网内有用。出了局域网之后，mac的地址就无效了。
//定义一个以太网的协议头
struct ethhdr {
unsigned char h_dest[ETH_ALEN]; // mac 目的地址，固定6个字节
unsigned char h_source[ETH_ALEN]; // 源地址， 固定6个字节
unsigned short h_proto; // 类型
};
这个以太网协议头这个结构体，大小为14字节。
IP协议
IP地址是网络层产物
// IP协议头
struct iphdr {
unsigned char version; // 版本号 ipv4 /ipv6
unsigned char tos; // 8bit 的 服务类型
unsigned short tot_len;
unsigned short id; // 标识， 每个包都有自己的id，identidy
unsigned short flag_off; // 3bit的标志, 13bit的偏移量
unsigned char ttl; // 生命周期
unsigned char protocol; // 协议
unsigned short check; // 校验和
unsigned int saddr; // 源ip地址
unsigned int daddr; // 目的地址
};
什么时候选择有符号的char,啥时候选择无符号char.
如果有用来计算的话，就选择有符号的char型。
如果没有，只是单纯的表示值。那么就选择无符号的char。
ARP协议
// 28字节的 ARP请求/应答 ARP协议头
struct arphdr {
unsigned short h_type; // 硬件类型
unsigned short h_proto; // 协议类型
unsigned char h_addrlen; // 硬件地址长度
unsigned char protolen; // 协议地址长度
unsigned short oper; // op 操作
unsigned char smac[ETH_ALEN]; // 发送端以太网地址
unsigned int sip; // 发送端IP地址
unsigned char dmac[ETH_ALEN]; // 目的以太网地址
unsigned int dip; // 目的IP地址
};
// 一个ARP的数据包
struct arppkt {
struct ethhdr eh; // 以太网头
struct arphdr arp; // ARP请求/应答 ARP协议头
};
ICMP协议
// ICMP协议头
struct icmphdr {
unsigned char type;
unsigned char code;
unsigned short check;
unsigned short identifier;
unsigned short seq;
unsigned char data[32];
};
//一个ICMP的数据包
struct icmppkt {
struct ethhdr eh; // 以太网
struct iphdr ip; // IP头
struct icmphdr icmp; // ICMP协议头
};
用户态协议栈的实现
以下是使用了netmap 框架来实现的一个，用户态协议栈
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/poll.h>
#include <arpa/inet.h>
#define NETMAP_WITH_LIBS
#include <net/netmap_user.h>
#pragma pack(1)
#define ETH_ALEN 6
#define PROTO_IP 0x0800
#define PROTO_ARP 0x0806
#define PROTO_UDP 17
#define PROTO_ICMP 1
#define PROTO_IGMP 2
// 14字节的 以太网 协议头
struct ethhdr {
unsigned char h_dest[ETH_ALEN]; // mac 目的地址，固定6个字节
unsigned char h_source[ETH_ALEN]; // 源地址， 固定6个字节
unsigned short h_proto; // 类型
};
struct iphdr {
unsigned char version; // 版本号 ipv4 /ipv6
unsigned char tos; // 8位的 服务类型
unsigned short tot_len; //
unsigned short id; // 标识， 每个包都有自己的id，identidy
unsigned short flag_off; // 三位的标志, 13位的偏移量
unsigned char ttl; // 生命周期
unsigned char protocol; // 协议
unsigned short check; // 校验和
unsigned int saddr; // 源ip地址
unsigned int daddr; // 目的地址
};
// UPD协议头
struct udphdr {
unsigned short source; //源端口
unsigned short dest; //目的端口
unsigned short len; //UDP长度
unsigned short check; //UDP校验
};
// 一个UDP数据包， sizeof(udppkt) = 40 个字节，默认是以4个字节
struct udppkt {
struct ethhdr eh; // 以太网头
struct iphdr ip; // IP头
struct udphdr udp; // UDP头
unsigned char body[128]; //用户数据
};
// 28字节的 ARP请求/应答 ARP协议头
struct arphdr {
unsigned short h_type; // 硬件类型
unsigned short h_proto; // 协议类型
unsigned char h_addrlen; // 硬件地址长度
unsigned char protolen; // 协议地址长度
unsigned short oper; // op 操作
unsigned char smac[ETH_ALEN]; // 发送端以太网地址
unsigned int sip; // 发送端IP地址
unsigned char dmac[ETH_ALEN]; // 目的以太网地址
unsigned int dip; // 目的IP地址
};
// 一个ARP的数据包
struct arppkt {
struct ethhdr eh; // 以太网头
struct arphdr arp; // ARP请求/应答 ARP协议头
};
// ICMP协议头
struct icmphdr {
unsigned char type;
unsigned char code;
unsigned short check;
unsigned short identifier;
unsigned short seq;
unsigned char data[32];
};
//一个ICMP的数据包
struct icmppkt {
struct ethhdr eh; // 以太网
struct iphdr ip; // IP头
struct icmphdr icmp; // ICMP协议头
};
void print_mac(unsigned char *mac) {
int i = 0;
for (i = 0;i < ETH_ALEN-1;i ++) {
printf("%02x:", mac[i]);
}
printf("%02x", mac[i]);
}
void print_ip(unsigned char *ip) {
int i = 0;
for (i = 0;i < 3;i ++) {
printf("%d.", ip[i]);
}
printf("%d", ip[i]);
}
void print_arp(struct arppkt *arp) {
print_mac(arp->eh.h_dest);
printf(" ");
print_mac(arp->eh.h_source);
printf(" ");
printf("0x%04x ", ntohs(arp->eh.h_proto));
printf(" ");
}
int str2mac(char *mac, char *str) {
char *p = str;
unsigned char value = 0x0;
int i = 0;
while (p != '\0') {
if (*p == ':') {
mac[i++] = value;
value = 0x0;
} else {
unsigned char temp = *p;
if (temp <= '9' && temp >= '0') {
temp -= '0';
} else if (temp <= 'f' && temp >= 'a') {
temp -= 'a';
temp += 10;
} else if (temp <= 'F' && temp >= 'A') {
temp -= 'A';
temp += 10;
} else {
break;
}
value <<= 4;
value |= temp;
}
p ++;
}
mac[i] = value;
return 0;
}
void echo_arp_pkt(struct arppkt *arp, struct arppkt *arp_rt, char *hmac) {
memcpy(arp_rt, arp, sizeof(struct arppkt));
memcpy(arp_rt->eh.h_dest, arp->eh.h_source, ETH_ALEN);
str2mac(arp_rt->eh.h_source, hmac);
arp_rt->eh.h_proto = arp->eh.h_proto;
arp_rt->arp.h_addrlen = 6;
arp_rt->arp.protolen = 4;
arp_rt->arp.oper = htons(2);
str2mac(arp_rt->arp.smac, hmac);
arp_rt->arp.sip = arp->arp.dip;
memcpy(arp_rt->arp.dmac, arp->arp.smac, ETH_ALEN);
arp_rt->arp.dip = arp->arp.sip;
}
void echo_udp_pkt(struct udppkt *udp, struct udppkt *udp_rt) {
memcpy(udp_rt, udp, sizeof(struct udppkt));
memcpy(udp_rt->eh.h_dest, udp->eh.h_source, ETH_ALEN);
memcpy(udp_rt->eh.h_source, udp->eh.h_dest, ETH_ALEN);
udp_rt->ip.saddr = udp->ip.daddr;
udp_rt->ip.daddr = udp->ip.saddr;
udp_rt->udp.source = udp->udp.dest;
udp_rt->udp.dest = udp->udp.source;
}
unsigned short in_cksum(unsigned short *addr, int len)
{
register int nleft = len;
register unsigned short *w = addr;
register int sum = 0;
unsigned short answer = 0;
while (nleft > 1) {
sum += *w++;
nleft -= 2;
}
if (nleft == 1) {
*(u_char *)(&answer) = *(u_char *)w ;
sum += answer;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
answer = ~sum;
return (answer);
}
void echo_icmp_pkt(struct icmppkt *icmp, struct icmppkt *icmp_rt) {
memcpy(icmp_rt, icmp, sizeof(struct icmppkt));
icmp_rt->icmp.type = 0x0; //
icmp_rt->icmp.code = 0x0; //
icmp_rt->icmp.check = 0x0;
icmp_rt->ip.saddr = icmp->ip.daddr;
icmp_rt->ip.daddr = icmp->ip.saddr;
memcpy(icmp_rt->eh.h_dest, icmp->eh.h_source, ETH_ALEN);
memcpy(icmp_rt->eh.h_source, icmp->eh.h_dest, ETH_ALEN);
icmp_rt->icmp.check = in_cksum((unsigned short*)&icmp_rt->icmp, sizeof(struct icmphdr));
}
int main() {
struct ethhdr *eh;
struct pollfd pfd = {0};
struct nm_pkthdr h;
unsigned char *stream = NULL;
struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth0", NULL, 0, NULL);
if (nmr == NULL) {
return -1;
}
pfd.fd = nmr->fd;
pfd.events = POLLIN;
while (1) {
// 为什么要选择poll?
// 少于1024 的用select,poll, 大于 用epoll
// select\poll 底层原理都是差不多的，但是api使用，poll更简单一些
int ret = poll(&pfd, 1, -1);
if (ret < 0) continue;
if (pfd.revents & POLLIN) {
stream = nm_nextpkt(nmr, &h); //拿到一个数据包
eh = (struct ethhdr*)stream;
if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP) {
struct udppkt *udp = (struct udppkt*)stream;
if (udp->ip.protocol == PROTO_UDP) {
struct in_addr addr;
addr.s_addr = udp->ip.saddr;
int udp_length = ntohs(udp->udp.len);
printf("%s:%d:length:%d, ip_len:%d --> ", inet_ntoa(addr), udp->udp.source,
udp_length, ntohs(udp->ip.tot_len));
udp->body[udp_length-8] = '\0';
printf("udp --> %s\n", udp->body);
#if 1
struct udppkt udp_rt;
echo_udp_pkt(udp, &udp_rt);
nm_inject(nmr, &udp_rt, sizeof(struct udppkt));
#endif
} else if (udp->ip.protocol == PROTO_ICMP) {
struct icmppkt *icmp = (struct icmppkt*)stream;
printf("icmp ---------- --> %d, %x\n", icmp->icmp.type, icmp->icmp.check);
if (icmp->icmp.type == 0x08) {
struct icmppkt icmp_rt = {0};
echo_icmp_pkt(icmp, &icmp_rt);
//printf("icmp check %x\n", icmp_rt.icmp.check);
// 往共享内存中写入待发送的数据包数据。数据包经过共享内存拷贝到网卡，然后发送出去
nm_inject(nmr, &icmp_rt, sizeof(struct icmppkt));
}
} else if (udp->ip.protocol == PROTO_IGMP) {
} else {
printf("other ip packet");
}
} else if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_ARP) {
struct arppkt *arp = (struct arppkt *)stream;
struct arppkt arp_rt;
if (arp->arp.dip == inet_addr("192.168.2.217")) {
echo_arp_pkt(arp, &arp_rt, "00:50:56:33:1c:ca");
nm_inject(nmr, &arp_rt, sizeof(struct arppkt));
}
}
}
}
}