TCP/IP 协议栈实现 Dnet - Ep.1 以太网数据帧的获取

本系列 Blog 的初衷是通过自己实现一个 TCP/IP 协议栈的形式来简明易懂地介绍计算机网络相关的知识, 更多细节详见本系列 Ep.0. 相关代码实现开源在 https://github.com/lyc8503/DNet-core.

既然决定开始实现网络协议, 应该从哪里开始呢? 显然, 是物理上的连接到网络开始. 我们的计算机需要通过一些媒介与外界交换信息.

现在这种连接媒介有很多, 比如连接 RJ45 接口的网线, 连接 Wi-Fi, 使用蜂窝网络等. 电脑中二进制的比特会被以特定方式编码成为电, 光等不同形式的信号, 在不同类型的线缆(或是空气)中进行传播. 本系列更在意的是软件层面的实现, 所以不再赘述, 可以参考相关教材(比如经典的这本).

Ep.0 里面已经立了一个很大也很虚无缥缈的 Flag - 实现 TCP/IP 协议栈. 这里再说的详细一些: 我们打算在 Linux 平台的用户态使用C++ 语言实现一个网络栈. 也就是说, 最终我们的程序会以一个普通应用程序(而不是内核模块)的形式运行在系统中.

我们马上就发现了问题: 我们的软件是在用户态的, 根本没有办法直接与计算机上的各类物理硬件直接交互, 只能使用一些操作系统 API 委托操作系统完成想要做的工作.

于是我们被迫开始和 Linux API 打交道了…

Linux 有一种叫 TAP 的虚拟网络设备, 它就相当于一张虚拟网卡, 除了没有实体硬件基本和真实的网卡一致.

我们按照上面链接中文档的做法在 Linux 中创建一张虚拟网卡, 然后通过程序从虚拟网卡中读取或发送数据, 代码如下.

struct ifreq ifr{};

if ((fd = open("/dev/net/tap", O_RDWR)) < 0) {
    DNET_ERROR("Failed to open TAP device, check permissions or create one with `mknod /dev/net/tap c 10 200`.");
    return false;
}

ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
strncpy(ifr.ifr_name, this->dev, IFNAMSIZ);

if (ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr) < 0) {
    DNET_ERROR("Could not ioctl tun: %s", strerror(errno));
    close(fd);
    return false;
}

/* if the operation was successful, write back the name of the
 * interface to the variable "dev". */
strcpy(this->dev, ifr.ifr_name);