什么是协议栈？ 用户态协议栈设计(udp协议栈)

什么是协议栈呢？

（协议栈（Protocol Stack）是计算机网络和通信系统中的一个重要概念，它指的是一组协议层的层次结构，这些协议层一起协同工作，以便在不同计算机或设备之间实现数据通信和交换。每个协议层都有特定的功能和责任，从物理层到应用层，每一层都在不同的抽象级别上处理数据和通信任务）友情提示，请阅读代码的注释

通过mmap可以将网卡里的数据映射到内存中去
这里是零拷贝，指的是cpu指令没有参与，但并不是没有拷贝,这是一种DMA的方式

实现协议栈有几种方式，如raw-socket、netmap、dpdk等，这里用netmap实现

如果不这样实现的话，会多拷贝一次，下面看原理图

. 获取原始数据

获取原始数据的三种方法介绍

不经过网络协议栈解析，拿到原始数据sk_buff；

使用原始套接字raw socket ， tcpdump和wireshark就是使用这个做的，raw socket主要用来抓包。dbdknetmap是用于用户层应用程序收发原始网络数据的高性能框架，本文使用netmap进行数据的收发。 1、netmap 原理

网卡即不在物理层，也不在数据链路层，是在这两层之间做转换。

数据传输的流程

网卡将物理层的光电信号转换为数字信号（0101010）。给到网卡驱动，然后把这个数据(通过sk_buff（搬运工)) 拷贝迁移到协议栈。 然后协议栈解析完数据之后将数据拷贝放入recv buffer，然后应用程序通过系统调用就能得到这个数据。
 

netmap 采用 mmap 的方式，将网卡驱动的 ring 内存空间映射到用户空间。这样用户态可以直接操作内存，获取原始的数据，避免了内核和用户态的两次拷贝（网卡 -> 内核协议栈 ->内存）

 

如果不用netmap走内核协议栈的话，我们在驱动和协议栈之间拷贝一次，在协议栈和应用层拷贝一次，那么就走了两次，当大量数据到来的话就会造成 传输速度下降，因为我们的IO操作

其实是很费时间的，所以我们就拷贝一次，大大的缩短了时间

2、netmap 环境搭建

安装 netmap

# 安装 netmap git clone https://github.com/luigirizzo/netmap.git cd netmap/LINUX ./configure make && make install # 将头文件拷贝到 /usr/include/net cd ./netmap/sys/net/ # netmap 头文件位置 cp * /usr/include/net

 启动 netmap

# 开启 netmap insmod netmap.ko ls /dev/netmap -l # 关闭 netmap rmmod netmap.ko  3、udp 协议栈的实现

3.1.以太网协议头格式

struct ethhdr { unsigned char h_dst[ETH_ALEN];//源mac,6字节 unsigned char h_src[ETH_ALEN];//目的mac,6字节 unsigned short h_proto;//协议类型，2字节 }; 3.2 ip协议头格式

struct iphdr { unsigned char hdrlen:4, //为什么跟报头看着不一样呢，那是因为我们的网络字节序是大端的 version:4; // 0x45 //我们的协议报头的时候，低位是版本号，高位是报头长度 //那么编程的时候，低位的报头长度，高位是版本号 //那么在转到网络上去之后就是低位是版本号 //字节序问题，请去百度一下大小端问题 unsigned char tos;//type of service unsigned short totlen;//total length //ip包总大小 - 首部大小等于数据大小 unsigned short id;//16位标识 //标识分片的包，因为网络层向下传的时候 //会受mtu的大小，进行分片 //所以要想确保数据是正常的，就需要设置一个标识，标识完整的数据包 //也以便ip上传到传输层后续重组 unsigned short flag_offset; //3位标志+13位片偏移 //3位标识一个是df为1表示数据包不可以分片，0表示告知可以分片, //mf标识是否有更多分片，为0就表示最后一个分片了 //那么我们在收到包的时候可以根据这个标志位和16位标识以及片偏移量重组数据了 // unsigned char ttl; //time to live 生存周期(比如：每经过一个网关ttl-1) // 0x1234// htons unsigned char type;//8位协议 用于指明IP的上层协议.传输层的报头没有协议 unsigned short check;//16位首部校验和 unsigned int sip;//源ip，标识发送方主机 unsigned int dip;//目的ip，标识接收方主机 }; // 20字节

3.3 udp协议头

//udp协议头 struct udphdr { unsigned short sport;//源端口 unsigned short dport;//目的端口 unsigned short length;//udp长度 unsigned short check;//校验值 }; // 8字节 3.4 arp协议头

struct arphdr { unsigned short h_type;//硬件类型 unsigned short h_proto;//协议类型 //真正的地址是mac地址， //ip地址是逻辑地址，mac地址是物理地址，唯一标识一台主机的 unsigned char h_addrlen; unsigned char h_protolen; unsigned short oper;//操作码，在发送arp包的时候，会 //用到操作码，arp响应2和arp请求1 //有了这个操作码，我们就知道是请求获取我的mac地址还是 //我的arp请求已经到了(响应) //因为刚开始发arp包的时候，只携带自身的mac地址和arp请求 //发送过后，再回发arp响应，将mac地址填上，此时收到的 //arp包的源mac地址就是我们之前广播的主机的mac地址 //然后做一个映射 unsigned char smac[ETH_ADDR_LENGTH]; unsigned int sip; unsigned char dmac[ETH_ADDR_LENGTH]; unsigned int dip; };

ICMP协议头我就不实现了，主要是用来进行ping命令的

3.5 各层数据包格式

我们还得定义一下OSI七层模型的数据包，因为网络层的数据包从上到下是解包和封包的过程

 越下面的层，会封装上面的层的协议头

struct udppkt { struct ethhdr eh; struct iphdr ip; struct udphdr udp; unsigned char data[0];//用户数据 //柔性数组，这样就可以在结构体末尾动态地分配内存空间。 //不会发生越界情况 }; //定义完以太网包，ip包和udp包之后 //我们还需要定义一个arp包 //为什么呢，因为arp缓存 //在我们xshell连接上之后会将 //eh0这张网卡的mac地址和ip地址做一个映射关系 //过一段时间之后这个mac和ip地址的映射关系就会消失 //所以我们需要自己搞一个arp包或者自己设置arp缓存 //或者静态的 //没有设置也没有静态arp缓存的话客户端就会发一次arp包 //那么既然我们是用netmap的方式接收的包，那么就需要自己接收 //到包，封装包， struct arppkt { struct ethhdr eh; struct arphdr arp; };

其他的包就不写了，其实就是在上层的包那里，添加下当前网络层的协议头

#include#include#include#include#include#include #define ETH_ADDR_LENGTH 6 #define NETMAP_WITH_LIBS #include #pragma pack(1) //内存对齐设置为1，如果不设置为1的话 //会出问题，参考我的博客里的内存对齐篇 #define ETH_ALEN 6 #define PROTO_IP 0x0800 #define PROTO_ARP 0x0806 #define PROTO_UDP 17 #define PROTO_ICMP 1 #define PROTO_IGMP 2 struct ethhdr { unsigned char h_dst[ETH_ALEN];//源mac,6字节 unsigned char h_src[ETH_ALEN];//目的mac,6字节 unsigned short h_proto;//协议类型，2字节 }; struct iphdr { unsigned char hdrlen:4, //为什么跟报头看着不一样呢，那是因为我们的网络字节序是大端的 version:4; // 0x45 //我们的协议报头的时候，低位是版本号，高位是报头长度 //那么编程的时候，低位的报头长度，高位是版本号 //那么在转到网络上去之后就是低位是版本号 //字节序问题，请去百度一下大小端问题 unsigned char tos;//type of service unsigned short totlen;//total length //ip包总大小 - 首部大小等于数据大小 unsigned short id;//16位标识 //标识分片的包，因为网络层向下传的时候 //会受mtu的大小，进行分片 //所以要想确保数据是正常的，就需要设置一个标识，标识完整的数据包 //也以便ip上传到传输层后续重组 unsigned short flag_offset; //3位标志+13位片偏移 //3位标识一个是df为1表示数据包不可以分片，0表示告知可以分片, //mf标识是否有更多分片，为0就表示最后一个分片了 //那么我们在收到包的时候可以根据这个标志位和16位标识以及片偏移量重组数据了 // unsigned char ttl; //time to live 生存周期(比如：每经过一个网关ttl-1) // 0x1234// htons unsigned char type;//8位协议 用于指明IP的上层协议.传输层的报头没有协议 unsigned short check;//16位首部校验和 unsigned int sip;//源ip，标识发送方主机 unsigned int dip;//目的ip，标识接收方主机 }; // 20字节 //udp协议头 struct udphdr { unsigned short sport;//源端口 unsigned short dport;//目的端口 unsigned short length;//udp长度 unsigned short check;//校验值 }; // 8字节 struct udppkt { struct ethhdr eh; struct iphdr ip; struct udphdr udp; unsigned char data[0];//用户数据 //柔性数组，这样就可以在结构体末尾动态地分配内存空间。 //不会发生越界情况 }; //定义完以太网包，ip包和udp包之后 //我们还需要定义一个arp包 //为什么呢，因为arp缓存 //在我们xshell连接上之后会将 //eh0这张网卡的mac地址和ip地址做一个映射关系 //过一段时间之后这个mac和ip地址的映射关系就会消失 //所以我们需要自己搞一个arp包或者自己设置arp缓存 //或者静态的 //没有设置也没有静态arp缓存的话客户端就会发一次arp包 //那么既然我们是用netmap的方式接收的包，那么就需要自己接收 //到包，封装包， struct arphdr { unsigned short h_type;//硬件类型 unsigned short h_proto;//协议类型 //真正的地址是mac地址， //ip地址是逻辑地址，mac地址是物理地址，唯一标识一台主机的 unsigned char h_addrlen; unsigned char h_protolen; unsigned short oper;//操作码，在发送arp包的时候，会 //用到操作码，arp响应2和arp请求1 //有了这个操作码，我们就知道是请求获取我的mac地址还是 //我的arp请求已经到了(响应) //因为刚开始发arp包的时候，只携带自身的mac地址和arp请求 //发送过后，再回发arp响应，将mac地址填上，此时收到的 //arp包的源mac地址就是我们之前广播的主机的mac地址 //然后做一个映射 unsigned char smac[ETH_ADDR_LENGTH]; unsigned int sip; unsigned char dmac[ETH_ADDR_LENGTH]; unsigned int dip; }; struct arppkt { struct ethhdr eh; struct arphdr arp; }; //icmp我就不封装了，有icmp协议我们才能用ping命令，否则用ping命令是 //ping不通的，可以用wireshark抓包看一下有没有icmp协议 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 *mac) { //把源和目的 的ip换一下就行了，然后补个mac地址 memcpy(arp_rt, arp, sizeof(struct arppkt)); memcpy(arp_rt->eh.h_dst, arp->eh.h_src, ETH_ADDR_LENGTH); str2mac(arp_rt->eh.h_src, mac); arp_rt->eh.h_proto = arp->eh.h_proto; arp_rt->arp.h_addrlen = 6; arp_rt->arp.h_protolen = 4; arp_rt->arp.oper = htons(2); str2mac(arp_rt->arp.smac, mac); arp_rt->arp.sip = arp->arp.dip; memcpy(arp_rt->arp.dmac, arp->arp.smac, ETH_ADDR_LENGTH); arp_rt->arp.dip = arp->arp.sip; } //就是解析完arp包后再发过去，目的mac和源mac什么的变一下 // void echo_arp_pkt(struct arppkt *arp, struct arppkt *arp_rt, char *mac)： //这是一个函数定义，它接受三个参数，其中 arp 是指向输入ARP数据包的指针，arp_rt //是指向输出ARP数据包的指针，mac 是一个字符数组，可能用于存储MAC地址。 // // memcpy(arp_rt, arp, sizeof(struct arppkt))： // 这行代码将从输入ARP数据包 arp 复制整个数据包的内容到输出ARP数据包 arp_rt 中， // 复制的字节数为 sizeof(struct arppkt)。 // // memcpy(arp_rt->eh.h_dst, arp->eh.h_src, ETH_ADDR_LENGTH)： // 这行代码将输入ARP数据包中的目标MAC地址（eh.h_dst）复制到输出ARP数据包的源MAC地址（eh.h_src）， // 以交换它们的值。 ETH_ADDR_LENGTH 可能是一个常量，表示MAC地址的长度。 // // str2mac(arp_rt->eh.h_src, mac)： // 这行代码似乎是将 mac 中的MAC地址数据复制到输出ARP数据包的源MAC地址字段（eh.h_src）中。 // // arp_rt->eh.h_proto = arp->eh.h_proto： // 这行代码将输出ARP数据包的以太网协议类型字段（eh.h_proto）设置为与输入ARP数据包相同的值，以保持协议类型不变。 // // arp_rt->arp.h_addrlen = 6 和 arp_rt->arp.h_protolen = 4： // 这两行代码设置输出ARP数据包的地址长度字段和协议地址长度字段。 // // arp_rt->arp.oper = htons(2)：这行代码将输出ARP数据包的操作码字段（oper）设置为2，这表示ARP响应。 // // str2mac(arp_rt->arp.smac, mac)：这行代码将 mac 中的MAC地址数据复制到 // 输出ARP数据包的发送方MAC地址字段（smac）中。 // // arp_rt->arp.sip = arp->arp.dip：这行代码将输出ARP数据包的发送方IP地址字段（sip） // 设置为输入ARP数据包的目标IP地址字段（dip）的值。 // // memcpy(arp_rt->arp.dmac, arp->arp.smac, ETH_ADDR_LENGTH)：这行代码将输入ARP数据包的源MAC地址（smac） // 复制到输出ARP数据包的目标MAC地址字段（dmac），以交换它们的值。 // // arp_rt->arp.dip = arp->arp.sip：这行代码将输出ARP数据包的目标IP地址字段（dip） // 设置为输入ARP数据包的发送方IP地址字段（sip）的值。 // // 总的来说，这个函数接受一个ARP请求数据包，将其内容复制到一个ARP响应数据包中， // 同时交换了源和目标的MAC地址和IP地址，以制作一个相应的ARP响应数据包，用于回应原始ARP请求。 // 这种操作通常用于网络通信中，以满足地址解析的需求。函数的实现可能依赖于其他未提供的函数或数据结构， // 如 struct arppkt 和 str2mac。 // int main() { struct nm_pkthdr h;//ringbuffer的头 struct nm_desc *nmr = nm_open("netmap:eth0", NULL, 0, NULL); if (nmr == NULL) return -1; //把fd放入pollfd中，如果fd可读，就去操作数据，不可读就不操作 struct pollfd pfd = {0}; pfd.fd = nmr->fd; pfd.events = POLLIN; while (1) { int ret = poll(&pfd, 1, -1);//第一个参数：pollfd，第二个参数：fd个数，第三个参数：-1代表一直阻塞，直到数据过来 if (ret < 0) continue; if (pfd.revents & POLLIN) {//有数据来了 unsigned char *stream = nm_nextpkt(nmr, &h);//取数据(因为已经在内存中了，不能用读，由于是环形ringbuffer，因此取数据叫next package) struct ethhdr *eh = (struct ethhdr *)stream;//把stream中的第一个部分转换为以太网头 if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_IP) { //取出来的上层协议是IP协议 struct udppkt *udp = (struct udppkt *)stream;//转化为udp帧数据格式 if (udp->ip.type == PROTO_UDP) { //udp包 int udplength = ntohs(udp->udp.length); udp->data[udplength-8] = '\0'; //udp总长度-8个字节长度的udp头 就是upd数据部分的长度。 末尾加上字符串结尾'\0' printf("udp --> %s\n", udp->data); } else if (udp->ip.type == PROTO_ICMP) { } } else if (ntohs(eh->h_proto) == PROTO_ARP) {//ARP包 struct arppkt *arp = (struct arppkt *)stream; struct arppkt arp_rt; //eth0的ip地址，eth0是网卡接口 if (arp->arp.dip == inet_addr("10.0.4.12")) { //如果接受到的广播arp是本机的就回复 （如果不进行判断就是ARP攻击了，不管是什么arp请求，都回复，会导致它们的arp表更新错误的信息） //eth0的mac地址 echo_arp_pkt(arp, &arp_rt,"52:54:00:d5:c3:82");//创建一个arp回复的包（源和目的互换，补充上mac地址(ifconfig可以查看)） nm_inject(nmr, &arp_rt, sizeof(arp_rt));//发送arp应答 printf("arp ret\n"); } } } } }

使用nm_open()函数时，需要指定的是物理网卡名。eth0是物理显卡名，ens33是虚拟网卡名。
修改网卡名字：

sudo vim /etc/default/grub //修改GRUB_CMDLINE_LINUX为如下，主要是增加 net.ifnames=0 biosdevname=0 这句 GRUB_CMDLINE_LINUX="find_presend=/presend.cfg noprompt net.ifnames=0 biosdevname=0 default_hugepagesz=1G hugepagesz=2M hugepages=1024 isolcpus=0-2"

启动程序后刚开始可以接收udp包，过一段时间后就接受不到了。

1.原因：程序把网卡的数据发送到了共享内存，不经过协议栈。而局域网内所有机器每隔一段时间会发送arp协议告知局域网内其他机器自己的IP和MAC地址，如果一段时间内没有收到对方的arp协议，那么本机就会把arp表对应的arp协议信息（IP和MAC地址）删掉。
因此，因为一开始发送udp包对方的时候，还知道对方的IP和MAC地址。对方因为没有走协议栈，对方就会不发arp协议给我，那么过段时间后，我的arp表就会把对方的IP和MAC地址信息删掉，我就没办法知道对方的IP和MAC地址，因此后面就无法发送upd包给到对方了。

没开启进程前，可以ping通进程所在的机器，过段时间后无法ping通。
2.原因：程序把网卡的数据发送到了共享内存，不经过协议栈。而ping协议的反馈是走ICMP协议的
因此，因为ping对方的时候，对方因为没有走协议栈，对如果对方处理网卡信息的时候，没有实现对ICMP协议的解析和回复，那么我ping对方就没办法收到对方的反馈。

解决方法：

1.ping命令只需要实现一下icmp包就行
2.怎么保存arp缓存呢

   2.1 自己添加一下arp，设置成静态的，那么数据包就知道发到局域网的哪台主机了，

   因为路由器保存着局域网内的arp缓存表，arp缓存表的ip地址是局域网内部的私有ip

   地址，添加了之后，路由器就有一条arp缓存，当数据包到来的时候，路由器识别到 

   的是公网ip地址，然后路由器收到数据包之后，根据arp缓存表，找到对应的mac地址

   和，先去发到mac层，判断是否符合数据包的mac地址，再发到网络层，判断ip是否

   是数据包的ip，是的话，就向传输层传输

  2.2 自己写arp包，收到arp请求的时候，填充我们的eth0的ip地址和mac地址，重新发送

  过去