1 前言

首先需要回答一个问题，为什么要学习实现用户态协议栈，从技术角度分析，主要是由于用户态的网络协议栈更高效，第二个是用户态协议栈可以实现定制。更高效主要是针对，网卡数据拷贝到协议栈这部分，如果采用用户态协议栈就可以进行一个零拷贝的过程，即利用mmap技术完成。这里实现UDP用户态协议主要是对于协议栈的理解的加深，了解内核协议栈的工作原理。

2 网络协议格式

2.1 以太网协议

以太网协议分为三个部分，协议头，数据和CRC校验。源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），类型主要包括IP协议，ARP协议和RARP协议。协议定义来自于RFC894,具体如下图。

头结构定义：

#define ETH_HDR_LEN             6#define IP_PROTO                0x0800
#define ARP_PROTO               0x0806
#define RARP_PROTO              0x0835typedef struct _eth_hdr {unsigned char src_mac[ETH_HDR_LEN];unsigned char dst_mac[ETH_HDR_LEN];unsigned short proto;
}eth_hdr;

2.2 IP协议

IP协议比较复杂，包括内容比较多，主要是定义了源ip地址和目的ip地址。默认是20字节的头部长度，当存在选项时头部长度将进行扩展。具体定义见RFC791：
头结构定义：

typedef struct  _ip_header
{#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIANunsigned char hdr_len:4,version:4;
#elseunsigned char version:4,hdr_len:4;
#endifunsigned char tos_type;unsigned short pkt_len;unsigned short mark;unsigned short flag_offset;unsigned char ttl;unsigned char proto;unsigned short hdr_checksum;unsigned int src_ip;unsigned int dst_ip;unsigned int opt[0];
}ip_header;

2.3 UDP协议

udp协议是定义最为简单的协议，协议基本不提供什么保障，主要定义了源端口和目的端口，也使得UDP在用户层可以进行更为灵活的设计。详细见RFC768：

#define PROTO_UDP    17
typedef struct  _udp_header
{unsigned short src_port;unsigned short dst_port;unsigned short length;unsigned short checksum;
}udp_header;typedef struct  _udp_pkt
{eth_header eth;ip_header ip;udp_header udp;unsigned char data[0];
}udp_pkt;

2.4 ARP协议

ARP协议的作用是通过IP地址获取MAC地址，主要工作流程是ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组，主要内容是A自己的IP地址、MAC地址，询问的IP地址。然后被询问对象既可以回复自身的ip和mac地址，建立一个arp表，后面可以直接查表。具体见RFC 826：

typedef struct  _arp_header
{unsigned short hw_type;unsigned short proto;unsigned char hw_len;unsigned char addr_len;unsigned short op;unsigned short src_mac[ETH_MAC_LEN];unsigned int src_ip;unsigned short dst_mac[ETH_MAC_LEN];unsigned int dst_ip;
}arp_header;typedef struct  _arp_pkt
{eth_header eth;arp_header arp;unsigned char data[0];
}arp_pkt;

注意：
这里存在一个arp攻击问题，就是对于arp欺骗，利用arp广播的原理，然后发送错误的ip和mac个对方造成arp表错乱整个网络无法使用。

2.5 ICMP协议

ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。具体见RFC792：

结构定义：

typedef struct  _icmp_header
{unsigned char type;unsigned char code;unsigned short checksum;unsigned short identifier;unsigned short seq;unsigned char data[32];
}icmp_header;typedef struct  _icmp_pkt
{eth_header eth;ip_header ip;icmp_header icmp;unsigned char data[0];
}icmp_pkt;

3 UDP用户协议栈实现

利用netmap实现一个简单的UDP协议的解析过程，用到netmap接口：nm_open打开网卡；nm_nextpkt获取网络数据；nm_inject发送网络数据。利用poll进行网络数据接收状态的获取，根据协议一层一层的强转，最终得到用户数据，数据发送也是一层层封装的过程。整体比较简单。网络编程需要考虑网络字节序和用户字节序，后续完善ARP查表和ICMP ping功能的实现。

#include<stdio.h>
#include <poll.h>
#include <arpa/inet.h>
#define NETMAP_WITH_LIBS
#include <net/netmap_user.h>
#pragma pack(1)int main()
{eth_header *eth = NULL;struct pollfd pfd = {0};struct nm_pkthdr nmh;unsigned char *buffer = NULL;//netmap：打开eth0网卡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) {int ret = poll(&pfd, 1, -1);if (ret < 0) continue;if (pfd.revents & POLLIN) {buffer = nm_nextpkt(nmr, &nmh);eth = (eth_header *)buffer;if(ntohs(eth->proto) == PROTO_IP){udp_pkt *udp = (udp_pkt *)buffer;if(udp->ip.proto == PROTO_UDP){struct in_addr addr;addr.s_addr = udp->ip.src_ip;int udp_length = ntohs(udp->udp.length);printf("%s:%d:length:%d, ip_len:%d --> ", inet_ntoa(addr), udp->udp.src_port, udp_length, ntohs(udp->ip.pkt_len));udp->data[udp_length-8] = '\0';printf("udp buffer: %s\n", udp->data);udp_pkt udp_rt;echo_udp_pkt(udp, &udp_rt);nm_inject(nmr, &udp_rt, sizeof(udp_pkt));}}}}return 0;
}

注意点：
结构体会进行对齐，造成最后数据包的大小计算错误，这里需要指定#pragma pack(1)

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