TCP/IP-Stack programmieren, 1: Ethernet und ARP (2016)

• Implementierung eines TCP/IP-Stacks

  • Die direkte Implementierung eines TCP/IP-Stacks kann wie eine komplexe Aufgabe wirken.
  • Die Kernspezifikation von TCP besteht aus dem Parsen des TCP-Headers, der Zustandsmaschine, Staukontrolle und der Berechnung von Wiederübertragungs-Timeouts.
  • In dieser Blogserie wird ein minimaler TCP/IP-Stack im User Space unter Linux implementiert.
  • Der Zweck dieses Beitrags und der Software ist rein lehrreich, um Netzwerk- und Systemprogrammierung tiefer zu verstehen.

• TUN/TAP-Geräte

  • Um Low-Level-Netzwerkverkehr im Linux-Kernel abzufangen, wird ein TAP-Gerät verwendet.
  • TUN/TAP-Geräte lassen sich in User-Space-Programmen leicht einrichten und werden in verschiedenen Programmen wie OpenVPN verwendet.
  • Mit einem TAP-Gerät lassen sich Daten in Ethernet-Puffern lesen und schreiben.

• Format von Ethernet-Frames

  • Ethernet bildet die Grundlage verschiedener Netzwerktechnologien, die Computer in einem LAN verbinden.
  • Der Ethernet-Standard hat sich seit seiner ersten Veröffentlichung im Jahr 1980 stark weiterentwickelt.
  • Der Header eines Ethernet-Frames kann als C-Struktur deklariert werden und enthält die Felder DMAC, SMAC, Ethertype und Payload.

• Parsen von Ethernet-Frames

  • Damit der GNU-C-Compiler das Speicherlayout von Strukturen nicht optimiert, wird das Attribut packed verwendet.
  • Das gesamte Szenario zum Parsen und Verarbeiten von Ethernet-Frames ist einfach.

• Address Resolution Protocol (ARP)

  • ARP wird verwendet, um 48-Bit-Ethernet-Adressen dynamisch auf Protokolladressen abzubilden.
  • Das Format von ARP-Paketen ist relativ einfach und enthält Hardware-Typ, Protokoll-Typ, Hardware-Größe, Protokoll-Größe, Opcode und Datenfelder.

• Algorithmus zur Adressauflösung

  • Um die Ergebnisse von ARP zu speichern, wird eine translation table verwendet, damit doppelte ARP-Anfragen vermieden werden.
  • Der ultimative Test der ARP-Implementierung besteht darin zu prüfen, ob korrekt auf ARP-Anfragen geantwortet wird.

• Fazit

  • Eine minimale Implementierung der Verarbeitung von Ethernet-Frames und ARP ist relativ einfach und mit wenigen Zeilen Code möglich.
  • Der Quellcode des Projekts ist auf GitHub verfügbar.
  • Im nächsten Beitrag wird die Implementierung von ICMP-Echo und -Antwort (Ping) sowie das Parsen von IPv4-Paketen fortgesetzt.