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# ARP及ICMP协议实现报告
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本文档详细记录了在一个C语言网络协议栈项目中，从零开始实现地址解析协议（ARP）和Internet控制报文协议（ICMP）的完整过程。项目基于一个为Windows环境设计的初始模板，整个过程不仅包括了协议逻辑的实现，还涉及了代码的Linux兼容性改造和整体架构的模块化重构。
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## 1. 初始代码分析
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项目开始于一个名为`start`的目录，其中包含一个简化的网络协议栈框架。
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### 1.1. 项目结构勘探
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首先，我们分析了`start`目录下的源代码，特别是`xnet_tiny/src`子目录。我们识别出以下几个核心文件：
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- `xnet_tiny.h`: 定义了协议栈的基本数据结构，如以太网帧头`xether_hdr_t`和网络数据包`xnet_packet_t`。
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- `xnet_tiny.c`: 包含了协议栈的核心驱动逻辑，如`xnet_init()`（初始化）和`xnet_poll()`（轮询）。
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- `app.c`: 项目的主入口，调用`xnet_init()`和`xnet_poll()`来启动和运行协议栈。
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- `xnet_app/port_pcap.c`: 负责与`pcap`库交互，进行底层网络数据包的收发。
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### 1.2. 关键实现点定位
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在`xnet_tiny.c`中，我们发现了`ethernet_in`函数，它负责处理接收到的以太网数据帧。函数内部的`switch`语句根据以太网帧头的协议类型字段来分发数据包：
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```c
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switch (swap_order16(hdr->protocol)) {
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case XNET_PROTOCOL_ARP:
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// 此处为空，是ARP实现入口
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break;
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case XNET_PROTOCOL_IP: {
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// 此处为空，是IP及ICMP实现入口
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break;
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}
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}
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```
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这两个`case`分支是空的，这正是我们需要插入ARP和IP/ICMP处理逻辑的地方。
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## 2. ARP协议实现
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为了保持代码的模块化，我们将ARP相关的逻辑实现在单独的文件中。
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### 2.1. 创建ARP模块
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我们创建了以下两个文件：
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- `xarp.h`: 定义ARP协议包结构`xarp_packet_t`和ARP缓存条目`xarp_entry_t`，并声明了外部接口`xarp_init()`和`xarp_in()`。
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- `xarp.c`: 实现ARP的具体逻辑。
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### 2.2. 实现ARP核心逻辑
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在`xarp.c`中，我们完成了以下工作：
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1. **ARP缓存（ARP Table）**: 定义了一个静态数组`arp_table[]`作为ARP缓存，用于存储IP地址到MAC地址的映射。
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2. **`xarp_init()`**: 此函数在协议栈初始化时被调用，负责清空ARP缓存中的所有条目。
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3. **`xarp_in()`**: 这是处理ARP报文的核心。
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- 当接收到一个ARP请求报文时，检查其请求的目标IP地址是否为本机IP。如果是，则构建一个ARP响应报文，填入本机的MAC地址，然后通过`ethernet_out_to()`函数发送出去。
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- 无论是请求还是响应，都会从报文中提取发送方的IP和MAC地址，并更新到ARP缓存中（`update_entry`函数）。
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4. **`xarp_resolve()`**: 为了让上层协议（如IP）能够通过IP地址查询MAC地址，我们添加了此函数。它会首先查询ARP缓存。如果找到匹配的条目，则返回对应的MAC地址；如果未找到，则调用`send_arp_request()`广播一个ARP请求，并返回`NULL`，由上层决定是否重试。
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### 2.3. 集成到协议栈
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我们将ARP模块集成到主协议栈中：
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1. 在`xnet_tiny.c`中包含了`xarp.h`。
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2. 在`xnet_init()`函数的末尾调用`xarp_init()`。
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3. 在`ethernet_in()`的`switch`语句中，为`XNET_PROTOCOL_ARP`添加了对`xarp_in(packet)`的调用。
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为了让`xarp.c`能够调用`xnet_tiny.c`中的`ethernet_out_to`等函数，我们将这些函数的`static`关键字移除，并在`xnet_tiny.h`中添加了它们的声明，使其成为公共接口。
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## 3. ICMP及IP层实现
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与ARP类似，我们为ICMP和IP创建了独立的模块。
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### 3.1. 创建ICMP和IP模块
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- `xicmp.h`: 定义了IP报头`xip_hdr_t`和ICMP报文结构`xicmp_packet_t`。
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- `xicmp.c`: 实现了`xicmp_in()`函数，用于处理传入的ICMP报文。
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- `xip.h` / `xip.c`: 创建了一个简单的IP输出模块，核心是`xip_out()`函数，用于发送IP包。
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### 3.2. 实现ICMP Echo Reply
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`xicmp_in()`是ICMP实现的核心，其工作流程如下：
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1. **IP报头解析**: 首先，剥离以太网头部，解析IP报头。验证版本号、头部长度和头部校验和。
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2. **目标IP检查**: 确认该IP包的目标地址是本机。
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3. **ICMP报文处理**:
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- 剥离IP头部，解析ICMP报文。
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- 检查ICMP类型是否为**Echo Request**（Ping请求）。
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- 如果是，则准备一个**Echo Reply**（Ping应答）报文。大部分数据（如ID、序列号和数据负载）可以直接从请求报文中复制。
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- 将ICMP类型设置为`ICMP_TYPE_ECHO_REPLY`，然后重新计算ICMP校验和。
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4. **构建IP响应包**:
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- 构建IP头部，源和目的IP地址与收到的请求包相反。
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- 重新计算IP头部校验和。
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5. **发送响应**: 调用`xip_out()`函数将响应包发送出去。`xip_out`内部会使用`xarp_resolve`来查找下一跳的MAC地址。
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### 3.3. 集成到协议栈
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1. 在`xnet_tiny.c`中包含了`xicmp.h`。
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2. 在`ethernet_in()`的`switch`语句中，为`XNET_PROTOCOL_IP`添加了对`xicmp_in(packet)`的调用。
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3. 在`xicmp.c`中，使用新创建的`xip_out()`函数来发送响应包，而不是直接调用底层的`ethernet_out_to()`，实现了更好的分层。
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## 4. Linux兼容性改造与重构
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原始代码是为Windows设计的，为了在Linux上运行，我们进行了以下关键修改：
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1. **修正`pcap_device.c`**:
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- 该文件包含了大量`#if defined(WIN32)`的条件编译块，用于加载`npcap`动态库。
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- 我们删除了所有Windows特定的代码（如`#pragma comment`, `GetSystemDirectory`, `MessageBox`等），只保留了`#else`分支下的标准`pcap`实现，使其在Linux下能够直接编译通过。
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2. **修正`port_pcap.c`**:
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- 原始代码中的`my_mac_addr`数组长度为8字节，这是错误的。我们将其修正为标准的6字节以太网MAC地址。
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- 将硬编码的pcap设备IP地址从`192.168.254.1`修改为`192.168.254.2`，与我们协议栈配置的IP保持一致。
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3. **IP地址集中管理**:
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- 最初，本机IP地址在`xarp.c`和`xicmp.c`中都有硬编码定义。
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- 我们将其移至`xnet_tiny.c`中定义，并在`xnet_tiny.h`中通过`extern`声明，实现了全局统一配置。
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## 5. 编译与测试
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完成编码后，即可进行编译测试：
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1. **安装依赖**: 确保Linux系统上已安装`libpcap`的开发库（如`sudo apt install libpcap-dev`）。
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2. **编译**:
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- 进入`start/build`目录。
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- 运行`cmake ..`来生成Makefile。
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- 运行`make`进行编译。
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3. **运行与测试**:
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- 编译成功后，会在`build`目录下生成可执行文件`xnet.exe`。
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- 使用`sudo ./xnet.exe`运行（需要root权限以访问网络接口）。
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- 在另一台处于同一局域网的主机上，执行`ping 192.168.254.2`，即可测试ICMP Echo功能。同时，可以通过`tcpdump`或`Wireshark`抓包观察ARP请求和响应过程。
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## 6. 总结
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通过以上步骤，我们成功地在一个基础网络框架上，完整地实现了ARP和ICMP Echo功能。整个过程不仅加深了对网络协议底层工作原理的理解，也锻炼了在现有代码基础上进行功能扩展、重构和跨平台移植的能力。最终的代码结构清晰，模块化程度高，易于理解和进一步扩展。
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