TCP/IP协议栈：模拟器实现基本的L2和L3功能

news2025/1/15 13:34:32

在C中实现的TCPI/IP网络堆栈模拟器。该模拟器实现基本的第2层（MAC地址，Arp）和第3层（路由，IP）功能。

TCP/IP协议栈是一个网络通信的基础架构，包含了多层次的协议和功能。在模拟实现基本的L2和L3功能时，可以考虑以下几个方面：

  1. L2（链路层）功能模拟：L2协议主要负责数据的帧封装和物理层的传输，可以模拟帧的封装和解封装过程，以及实现基本的链路层协议如以太网协议。

  2. L3（网络层）功能模拟：L3协议主要负责数据包的路由和转发，可以模拟基本的路由表查找算法，以及实现IP协议，包括IP地址的分配、数据包的封装和解封装等功能。

  3. 数据包的发送和接收：模拟实现可以通过网络接口发送和接收数据包，可以使用socket编程等技术来模拟实现数据包的发送和接收过程。

  4. 网络拓扑的模拟：可以模拟多个网络节点，通过模拟点对点或者广播网络连接，来构建一个简单的网络拓扑结构。

L2（链路层）功能模拟

L2（链路层）是TCP/IP协议栈中的一层，负责数据的帧封装和物理层的传输。L2层通过提供一种通用的数据帧格式，将数据从网络层传递到物理层，并在物理层中进行传输。

以下是L2链路层功能模拟中涉及的一些相关概念和原理：

  1. 帧封装：L2层负责将网络层传递过来的数据进行帧封装。帧由头部和数据部分构成。头部包含了目标MAC地址、源MAC地址和一些控制信息等。数据部分则是网络层传来的数据。

  2. 物理层传输：L2层负责将封装好的帧传输到物理层。物理层通过底层的传输介质（例如以太网电缆、无线信道等）将帧发送出去。

  3. MAC地址：MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址是L2层中设备的唯一标识符。它是一个物理地址，通常由48位二进制数表示。通过MAC地址，L2层可以确定数据的发送和接收地址。

  4. 以太网协议：以太网是最常用的LAN（Local Area Network，局域网）技术之一，也是L2层中应用最广泛的协议之一。以太网使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带有碰撞检测的载波监听多路访问）机制来协调多个设备之间的访问和传输。

  5. 碰撞检测：在以太网中，当两个设备同时发送数据帧时，会发生碰撞，导致数据帧损坏。为了解决这个问题，以太网使用碰撞检测机制，在发生碰撞时立即停止发送，并等待一段时间后再重新发送。

  6. 可靠性保证：L2层通常使用确认和重传机制来保证数据传输的可靠性。当发送方发送数据帧后，接收方会发送一个确认帧来告知发送方数据是否成功接收。如果发送方在一定时间内没有收到确认帧，会进行重传操作。

L3（网络层）功能模拟

L3（网络层）是TCP/IP协议栈中的一层，负责数据的路由和转发。L3层提供了一种通用的数据包格式，将数据从网络源主机传递到网络目的主机。以下是L3网络层功能模拟中涉及的一些相关知识：

  1. 路由表：L3层维护一个路由表，用于确定数据包的下一跳地址。路由表中包含目的网络的IP地址和对应的下一跳地址（即下一个路由器或目的主机）。

  2. 路由选择：L3层根据目的IP地址和路由表进行路由选择。它使用路由选择算法（如最长前缀匹配）来确定数据包下一跳地址。

  3. IP地址分配：L3层负责分配和管理IP地址。IP地址是一个唯一的标识符，用于在网络中唯一识别主机和子网。

  4. 数据包封装和解封装：L3层负责将上层传递的数据封装成IP数据包，并添加源IP地址和目的IP地址。在接收端，L3层将IP数据包解封装，并将数据传递给上层协议。

  5. 数据包转发：L3层根据目的IP地址查找路由表，并将数据包转发到正确的下一跳地址。它使用目的IP地址和路由表中的下一跳地址来确定数据包的转发路径。

  6. 网络间通信：L3层通过互联网协议（如IPv4或IPv6）来实现不同网络之间的通信。它通过路由器将数据包从源网络转发到目的网络。

在模拟实现L3网络层功能时，需要实现路由表的管理、路由选择算法、IP地址分配、数据包的封装和解封装，以及数据包的转发。同时，还需要考虑网络拓扑的建立和维护，以模拟多个网络之间的通信。

数据包的发送和接收

数据包的发送和接收是网络通信中的核心操作。在模拟实现中，以下是数据包的发送和接收的一般步骤和原理：

  1. 发送数据包：
    a. 选择一个合适的网络接口或套接字来发送数据包。
    b. 构建需要发送的数据包。这涉及到设置目标IP地址、源IP地址、目标MAC地址、源MAC地址和其他必要的头部字段。
    c. 将数据包发送到指定的目的地。这可以通过调用网络接口或套接字的发送函数来实现。

  2. 接收数据包：
    a. 监听网络接口或套接字，以便接收传入的数据包。
    b. 当接收到数据包时，提取所需的信息，如源IP地址、目标IP地址、源MAC地址、目标MAC地址等。
    c. 根据需要处理数据包的内容，例如进行解包操作，提取数据部分。

在具体的实现中，可以使用一些网络编程的API或库来发送和接收数据包，例如使用socket编程接口。不同编程语言和平台上，有不同的方法和库可供选择。

网络拓扑的模拟

在模拟网络拓扑时，可以考虑以下几种常见的网络拓扑结构：

  1. 点对点拓扑（Point-to-Point Topology）：这是最简单的网络拓扑，包括两个节点直接相连。可以通过模拟两个网络节点之间的连接来实现点对点拓扑。

  2. 星型拓扑（Star Topology）：这是一种中心化的拓扑，包含一个中心节点（交换机或路由器）和若干个周边节点。中心节点负责转发和路由数据包。可以模拟一个中心节点和多个周边节点的网络连接来实现星型拓扑。

  3. 环形拓扑（Ring Topology）：这是一个环状的网络拓扑，每个节点连接到两个相邻的节点。数据按顺时针或逆时针方向在环上传输。可以模拟多个相邻的节点之间的连接，形成一个环形网络。

  4. 总线拓扑（Bus Topology）：这是一种广播型的拓扑，所有节点都连接到一个共享的通信介质（如以太网总线）。可以模拟多个节点连接到同一个通信介质上的网络。

  5. 树状拓扑（Tree Topology）：这是一个层次化的拓扑，由多个星型子网组成，其中一个星型子网连接到另一个星型子网的中心节点。可以模拟一个或多个星型子网之间的连接来实现树状拓扑。

在模拟网络拓扑时，可以使用虚拟机、容器或模拟器来创建和管理模拟的网络节点，如使用VirtualBox、Docker等。通过在模拟网络节点之间配置网络接口和路由关系，可以构建和管理模拟的网络拓扑。

TCP/IP协议栈：模拟器实现基本的L2和L3功能

...
int send_pkt_to_self(char *pkt, unsigned int pkt_size, interface_t *interface);


int send_pkt_out(char *pkt, unsigned int pkt_size, interface_t *interface);

/* API从接口接收数据包 */
int pkt_receive(node_t *node, interface_t *interface, 
            char *pkt, unsigned int pkt_size);

int send_pkt_flood(node_t *node, 
               interface_t *exempted_intf, 
               char *pkt, unsigned int pkt_size);

/* API从节点的所有L2接口溢出pkt */
int send_pkt_flood_l2_intf_only(node_t *node,
                            interface_t *exempted_intf,
                            char *pkt, unsigned int pkt_size);
void dump_graph(graph_t *graph);
void dump_node(node_t *node);
void dump_interface(interface_t *interface);

/* 用于设置网络节点属性的API */
bool_t node_set_loopback_address(node_t *node, char *ip_addr);
bool_t node_set_intf_ip_address(node_t *node, char *local_if, char *ip_addr, char mask);
bool_t node_unset_intf_ip_address(node_t *node, char *local_if);

/*
转储用于转储网络信息的功能
关于节点和接口 */
void dump_nw_graph(graph_t *graph);
void dump_node_nw_props(node_t *node);
void dump_intf_props(interface_t *interface);

interface_t *
node_get_matching_subnet_interface(node_t *node, char *ip_addr);

/* 接口Vlan mgmt API */

/*应仅为在访问模式下操作的接口调用*/
unsigned int
get_access_intf_operating_vlan_id(interface_t *interface);
/*应仅为在Trunk模式下操作的接口调用*/

bool_t is_trunk_interface_vlan_enabled(interface_t *interface, unsigned int vlan_id);  

char *pkt_buffer_shift_right(char *pkt, unsigned int pkt_size,
                               unsigned int total_buffer_size);

bool_t pkt_buffer_check_additional_hdr_space(unsigned int pkt_size,
        unsigned int total_buffer_size,
        unsigned int additional_space_requested);

extern graph_t *build_first_topo();
extern graph_t *build_simple_l2_switch_topo();
extern graph_t *build_square_topo();
extern graph_t *build_linear_topo();
extern graph_t *build_dualswitch_topo();
extern graph_t *linear_3_node_topo();
extern graph_t *L2_loop_topo();
extern void nw_init_cli();

...

int  main(int argc, char **argv){

    nw_init_cli();
	show_help_handler(0, 0, MODE_UNKNOWN);
    topo = build_square_topo();
    start_shell(); 
    return 0;
}

If you need the complete source code, please add the WeChat number (c17865354792)

运行结果：
您可以运行此可执行文件，并围绕所实现的相同默认命令进行播放。此外，还可以使用show help来熟悉CLI。尝试“？”、“.”和“/”功能

命令后面的字符，以查看可能完成的命令:
配置控制台名称：


运行节点，测试网络状态:

在init_libcli（）之后；在main（）中，调用以下API从库中导入钩子

param_t *show   = libcli_get_show_hook();
param_t *debug  = libcli_get_debug_hook();
param_t *config = libcli_get_config_hook();
param_t *clear  = libcli_get_clear_hook();
param_t *run    = libcli_get_run_hook();

这里，“show”、“debug”、“config”、“clear”和“run”被称为钩子。我们将要实现的每个特定于项目的命令都将从其中一个挂钩开始。实际上，这些钩子中的每一个都是它们各自的命令树的根。每个钩子都将有单独的命令树作为根。

总结

当涉及到模拟器实现TCP/IP协议栈的基本的L2（数据链路层）和L3（网络层）功能时，可以通过以下步骤进行简单的文章末尾总结：

  1. L2功能的模拟器实现：在模拟器中，可以实现L2的基本功能，包括数据帧封装和解封装、MAC地址的分配和管理，以及通过以太网等数据链路协议进行数据的传输。模拟器可以模拟多个网络节点之间的数据链路连接，并使用虚拟的MAC地址进行通信。

  2. L3功能的模拟器实现：在模拟器中，可以实现L3的基本功能，包括IP地址的分配和管理，路由表的维护和更新，以及数据包的路由和转发。模拟器可以通过模拟路由器的角色，按照路由表中的规则将数据包从源节点转发到目的节点。

  3. 模拟器的整合：通过整合L2和L3的功能，模拟器可以实现一个简单的TCP/IP协议栈。数据从上层传递到L3层，经过L3的封装和路由选择，到达L2层后再进行数据帧的封装，最终通过物理介质进行传输。接收端进行相反的操作，解封装数据帧，进行路由和解析IP数据包中的数据。

综上所述，通过模拟器实现基本的L2和L3功能，可以模拟网络节点之间的数据传输和路由选择，从而验证和测试TCP/IP协议栈。

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参考：RFC 791、RFC 894、RFC 826

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