Xlong：创建页面，内容为“此次在我们的用户空间TCP/IP堆栈中,我们将实现一个最小可行的IP层,''并使用ICMP的回声请求(''也称为pings)进行测试。我们将查看IPv4和ICMPv4的格式,并介绍如何检查其完整性。一些功能,例如IP分片,作为练习。对于我们的网络栈, 选择IPv4 优先于 IPv6,因为它仍然是互联网的默认网络协议。然而,未来我们的网络栈可以通过IPv6进行扩展。 = 互联网协议版本4 =…”

2025-12-24T10:27:45Z

创建页面，内容为“此次在我们的用户空间TCP/IP堆栈中,我们将实现一个最小可行的IP层,''并使用ICMP的回声请求(''也称为pings)进行测试。我们将查看IPv4和ICMPv4的格式,并介绍如何检查其完整性。一些功能,例如IP分片,作为练习。对于我们的网络栈, 选择IPv4 优先于 IPv6,因为它仍然是互联网的默认网络协议。然而,未来我们的网络栈可以通过IPv6进行扩展。 = 互联网协议版本4 =…”

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此次在我们的用户空间TCP/IP堆栈中,我们将实现一个最小可行的IP层,''并使用ICMP的回声请求(''也称为pings)进行测试。

我们将查看IPv4和ICMPv4的格式,并介绍如何检查其完整性。一些功能,例如IP分片,作为练习。

对于我们的网络栈, 选择IPv4 优先于 IPv6,因为它仍然是互联网的默认网络协议。然而,未来我们的网络栈可以通过IPv6进行扩展。

= 互联网协议版本4 =
在实现以太网帧之后,下一层(L3)负责将数据传输到目标。''即互联网协议''(IP) 是为TCP和UDP等传输协议提供基础而发明的。它是无连接的,这意味着与TCP不同,所有数据报在网络堆栈中都是相互独立处理的。这也意味着IP数据报可能会丢失或者过期<sup>。</sup>

此外, IP 不保证成功交付。这是协议设计者有意识地选择的,因为IP旨在为同样无法保证交付的协议提供基础。UDP就是这样一个协议。

如果需要通信方之间的可靠性,则在IP之上使用TCP等协议。在这种情况下,更高级别的协议负责检测缺失的数据, 并确保所有数据均已送达。

== 头部格式 ==
IPv4 头通常长度为 20 个八位。头部可以包含尾随选项,但在我们的实现中会省略这些选项。字段的含义相对简单,可以描述为一个C结构体:

4位<code>version</code>字段表示互联网头的格式。在我们的情况下,IPv4 的值为 4。<syntaxhighlight lang="c" line="1">
struct iphdr {
uint8_t version : 4;
uint8_t ihl : 4;
uint8_t tos;
uint16_t len;
uint16_t id;
uint16_t flags : 3;
uint16_t frag_offset : 13;
uint8_t ttl;
uint8_t proto;
uint16_t csum;
uint32_t saddr;
uint32_t daddr;
} __attribute__((packed));
</syntaxhighlight>''I''互联网头长字段<code>ihl</code>长度同样为4位,''words''表示IP头中32位字数。由于字段大小为 4 位,因此最大值只能为 15。因此,IP头的最大长度为60个八位。

''服务字段的类型''<code>tos</code>源自第一个IP规范。在后续规格中,它已被划分为更小的字段,但为了简单起见,我们将按照原始规范中定义的字段进行处理。该字段传达了用于IP数据报的服务质量。

全长场<code>len</code>传达整个IP数据报的长度。由于是16位字段,因此最大长度为65535字节。大型IP数据报存在碎片化现象,在这些数据报中,它们被分割成更小的数据报,以满足不同通信接口的最大传输单元(MTU)。

<code>id</code>字段用于索引数据报,最终用于重新组装碎片化的IP数据报。字段的值只是一个由发送方递增的计数器。接收方通过该字段知道如何对传入的分片数据排序。

<code>flags</code>字段定义了数据报的各种控制标志。具体而言,发送方可以指定数据报是否允许分片,是最后分片数据还是更多分片数据进入。

''分片偏移字段''<code>frag_offset</code>在数据报中表示片段的位置。当然,第一个数据报将该索引设置为0。

<code>ttl</code>一个常用的属性,用来计算数据报的生命周期。通常由原始发送方设置为64,每个接收方都会逐一声明此计数器。当数据报降至零时,数据报将被丢弃, 并可能回复ICMP消息以表示错误。

<code>proto</code>字段为数据图提供了在其有效载荷中携带其他协议的固有能力。该字段通常包含16(UDP)或6(TCP)等值,仅用于将实际数据类型传达给接收方。

<code>csum</code>用于验证IP头的完整性。其算法相对简单,将在本教程中进一步说明。

最后,<code>saddr</code><code>和daddr</code>字段分别表示数据报的源地址和目标地址。尽管这些字段长度为32位,因此提供了约45亿个地址,但地址范围将在不久的将来耗尽。IPv6协议将这一长度延长至128位,因此未来能够支持更大范围的互联网协议的地址范围。

== 校验和 ==
使用校验和字段来检查IP数据报的完整性。

算法的实际代码如下:<syntaxhighlight lang="c" line="1">
uint16_t checksum(void *addr, int count)
{
/* Compute Internet Checksum for "count" bytes
* beginning at location "addr".
* Taken from https://tools.ietf.org/html/rfc1071
*/

register uint32_t sum = 0;
uint16_t * ptr = addr;

while( count > 1 ) {
/* This is the inner loop */
sum += * ptr++;
count -= 2;
}

/* Add left-over byte, if any */
if( count > 0 )
sum += * (uint8_t *) ptr;

/* Fold 32-bit sum to 16 bits */
while (sum>>16)
sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);

return ~sum;
}
</syntaxhighlight>以IP头为例<code>45 00 00 54 41 e0 40 00 40 01 00 00 0a 00 00 04 0a 00 00 05</code>:

# 将字段加在一起,使两者的互补之数产生<code>01 1b 3e</code>。
# 然后,为了将其转换为其互补:<code>1b 3e</code>+<code>01</code>=<code>1b 3f</code>。
# 最后,取一个互补的值,从而得出了校对值<code>e4c0</code>。

IP头<code>45 00 00 54 41 e0 40 00 40 01 e4 c0 0a 00 00 04 0a 00 00 05</code>。

可以通过再次应用算法来验证校验,如果结果为0,数据很可能就好了。

= 互联网控制消息协议版本（ICMP协议） =
由于互联网协议缺乏可靠性机制,因此需要通过某种方式向各方通报可能的错误情况。因此,''互联网控制消息协议''(ICMP) 被用于网络中的诊断措施。一个例子是网关无法访问的情况——识别此功能的网络堆栈会将ICMP“Gateway Unreachable”消息发送回源。

== 头部格式 ==
ICMP 头位于相应 IP 数据包的有效载荷中。ICMPv4 头标的结构如下:<syntaxhighlight lang="c">
struct icmp_v4 {
uint8_t type;
uint8_t code;
uint16_t csum;
uint8_t data[];
} __attribute__((packed));
</syntaxhighlight>在这里,<code>type</code>字段发送消息的类型。该字段预留了42个值,仅使用约8个常用值。在这里的实现中,使用了类型0(回声回复)、3(目的地不可访问)和8型(回声请求)。

<code>code</code>字段进一步描述了消息的含义。例如,当类型为3(目的地不可访问)时,代码字段意味着原因。常见错误是数据包无法路由到网络时:源主机很可能接收到带有第3类代码和代码0(Net Unreachable)的ICMP消息。

<code>csum</code>字段与 IPv4 头字段相同,并且可以使用相同的算法来计算它。然而,在ICMPv4中,''校验和是端到端的'',这意味着在计算校验和时也包含有效载荷。

== 消息及其处理 ==
实际的ICMP有效载荷包括查询/信息消息和错误消息。首先,我们将查看 Echo 请求/回复消息,通常称为网络中的“ping”:<syntaxhighlight lang="c">
struct icmp_v4_echo {
uint16_t id;
uint16_t seq;
uint8_t data[];
} __attribute__((packed));
</syntaxhighlight>消息格式很紧凑。字段<code>id</code>由发送主机设置,以确定回声回复的处理过程。

<code>字段seq</code>是响应的序列号,它只是一个从零开始的数值,每当出现新的响应请求时,它就会逐一递增。用于检测在传输过程中是否出现响应消息消失或被重新排序。

<code>data</code>字段是可选的,但通常包含像响应的时间戳这样的信息。然后可用于估算主机之间的往返时间。

''Destination Unreachable''最常见的ICMPv4错误消息“目的地无法访问”具有以下格式:<syntaxhighlight lang="c">
struct icmp_v4_dst_unreachable {
uint8_t unused;
uint8_t len;
uint16_t var;
uint8_t data[];
} __attribute__((packed));
</syntaxhighlight>第一个octet 未使用。然后<code>len</code>字段表示原始数据报的长度,在 IPv4 的 4 个octet 中。2-octet 字段的值<code>var</code>取决于ICMP代码。

最后,尽可能将导致“目的地无法到达状态”的原始IP数据包放入<code>data</code><code>字段</code>。

= 测试实现 =
从 shell 中,我们可以验证我们的用户空间网络堆栈是否响应 ICMP 的回波请求:

= 关键代码实现 =
<syntaxhighlight lang="c" line="1">
void icmpv4_incoming(struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *iphdr = ip_hdr(skb);
struct icmp_v4 *icmp = (struct icmp_v4 *) iphdr->data;

//TODO: Check csum

switch (icmp->type) {
case ICMP_V4_ECHO:
icmpv4_reply(skb);
return;
case ICMP_V4_DST_UNREACHABLE:
print_err("ICMPv4 received 'dst unreachable' code %d, "
"check your routes and firewall rules\n", icmp->code);
goto drop_pkt;
default:
print_err("ICMPv4 did not match supported types\n");
goto drop_pkt;
}

drop_pkt:
free_skb(skb);
return;
}

void icmpv4_reply(struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *iphdr = ip_hdr(skb);
struct icmp_v4 *icmp;
struct sock sk;
memset(&sk, 0, sizeof(struct sock));

uint16_t icmp_len = iphdr->len - (iphdr->ihl * 4);

skb_reserve(skb, ETH_HDR_LEN + IP_HDR_LEN + icmp_len);
skb_push(skb, icmp_len);

icmp = (struct icmp_v4 *)skb->data;

icmp->type = ICMP_V4_REPLY;
icmp->csum = 0;
icmp->csum = checksum(icmp, icmp_len, 0);

skb->protocol = ICMPV4;
sk.daddr = iphdr->saddr;

ip_output(&sk, skb);
free_skb(skb);
}
</syntaxhighlight>IP报文的接收<syntaxhighlight lang="c" line="1">
int ip_rcv(struct sk_buff *skb)
{
struct iphdr *ih = ip_hdr(skb);
uint16_t csum = -1;

if (ih->version != IPV4) {
print_err("Datagram version was not IPv4\n");
goto drop_pkt;
}

if (ih->ihl < 5) {
print_err("IPv4 header length must be at least 5\n");
goto drop_pkt;
}

if (ih->ttl == 0) {
//TODO: Send ICMP error
print_err("Time to live of datagram reached 0\n");
goto drop_pkt;
}

csum = checksum(ih, ih->ihl * 4, 0);

if (csum != 0) {
// Invalid checksum, drop packet handling
goto drop_pkt;
}

// TODO: Check fragmentation, possibly reassemble

ip_init_pkt(ih);

ip_dbg("in", ih);

switch (ih->proto) {
case ICMPV4:
icmpv4_incoming(skb);
return 0;
case IP_TCP:
tcp_in(skb);
return 0;
default:
print_err("Unknown IP header proto\n");
goto drop_pkt;
}

drop_pkt:
free_skb(skb);
return 0;
}
</syntaxhighlight>IP报文发送：<syntaxhighlight lang="c" line="1">
void ip_send_check(struct iphdr *ihdr)
{
uint32_t csum = checksum(ihdr, ihdr->ihl * 4, 0);
ihdr->csum = csum;
}

int ip_output(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
struct rtentry *rt;
struct iphdr *ihdr = ip_hdr(skb);

rt = route_lookup(sk->daddr);

if (!rt) {
// TODO: dest_unreachable
print_err("IP output route lookup fail\n");
return -1;
}

skb->dev = rt->dev;
skb->rt = rt;

skb_push(skb, IP_HDR_LEN);

ihdr->version = IPV4;
ihdr->ihl = 0x05;
ihdr->tos = 0;
ihdr->len = skb->len;
ihdr->id = ihdr->id;
ihdr->frag_offset = 0x4000;
ihdr->ttl = 64;
ihdr->proto = skb->protocol;
ihdr->saddr = skb->dev->addr;
ihdr->daddr = sk->daddr;
ihdr->csum = 0;

ip_dbg("out", ihdr);

ihdr->len = htons(ihdr->len);
ihdr->id = htons(ihdr->id);
ihdr->daddr = htonl(ihdr->daddr);
ihdr->saddr = htonl(ihdr->saddr);
ihdr->csum = htons(ihdr->csum);
ihdr->frag_offset = htons(ihdr->frag_offset);

ip_send_check(ihdr);

return dst_neigh_output(skb);
}

</syntaxhighlight>这篇文章的[https://github.com/saminiir/level-ip 源代码]可在 GitHub 上找到。

编写一个TCP/IP栈2-IPv4和ICMPv4 - 版本历史