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CS144 Lab5 实战记录：网络接口实现 ARP

news 来源：原创 2025/4/25 9:13:00

文章目录

- 1 实验背景与目标
- 2 模块流程
- 3 网络接口实现
- - 3.1 数据结构
  - 3.2 send_datagram：转发 IP 数据报
  - 3.3 recv_frame：接收 Ethernet 帧
  - 3.4 tick：时间驻留管理
- 4 DEBUG记录
- 5 仓库地址

1 实验背景与目标

在这一次的 CS144 实验中，我们需要实现的是协调 IP 分级和链路层之间的连接部分：网络接口 Network Interface，它能将 IP 数据报包装裱成 Ethernet 带有地址的链路层帧，并转发到 TAP 设备。

它是 TCP/IP 网络堆栈的最下层部分，也是后续 Lab6 实现路由器功能的重要基础。

2 模块流程

网络接口的运行流程基于 ARP 协议，通过 ARP 请求/响应来查询 IP-网卡 MAC 地址是否可达，并记录在本地缓存中。

整个工作流程可分为以下几个关键部分：

发送数据报流程：当上层协议需要发送数据时，先查询ARP缓存。
- 若找到目标MAC地址，直接封装成以太网帧发送
- 若未找到，保存数据报并发送ARP请求
接收数据帧流程：接收以太网帧并检查目标MAC是否为本机或广播。处理ARP请求/响应，更新本地ARP缓存，处理IPv4数据包，解析后上传到网络层。
定时维护流程：定期检查ARP缓存条目过期情况，清理超时未响应的ARP请求和待发送数据。

3 网络接口实现

3.1 数据结构

网络接口的实现核心在于ARP（地址解析协议）的管理，它将逻辑IP地址映射到物理MAC地址。我们使用以下数据结构来支持这一功能。

ARP缓存管理：使用unordered_map实现IP到MAC地址的高效查询（O(1)平均查找时间），每个条目包含MAC地址和存活时间计时器，遵循RFC建议的30秒TTL，缓存设计有助于减少网络请求，提高性能。
待处理数据报管理：pending_datagrams_存储等待ARP回复的IP数据报列表。使用IP地址作为键，支持一次ARP回复后批量处理多个等待的数据报。
ARP请求限流机制：pending_datagram_timers_跟踪ARP请求的发送时间，防止短时间内重复发送ARP请求，减轻网络广播风暴，符合RFC826推荐的5秒重传间隔

// ARP entry validity period and retransmission interval (30s / 5s recommended by RFC826)
static constexpr size_t ARP_ENTRY_TTL_ms      = 30'000;  // 30 s
static constexpr size_t ARP_REQUEST_PERIOD_ms = 5'000;   // 5 s
using Timer = uint64_t;
using AddressNumber = uint32_t;struct ArpEntry
{EthernetAddress ethernet_address;Timer timer;
};// ARP cache: maps IP addresses to Ethernet addresses
std::unordered_map<AddressNumber, ArpEntry> arp_cache_ {};
// Pending datagrams: maps IP addresses to datagrams waiting for ARP replies
std::unordered_map<AddressNumber, std::vector<InternetDatagram>> pending_datagrams_ {};
// Pending datagram timers: maps IP addresses to timers for retransmitting ARP requests
std::unordered_map<AddressNumber, Timer> pending_datagram_timers_ {};

3.2 send_datagram：转发 IP 数据报

当上层协议需要发送IP数据报时，网络接口需要完成IP地址到MAC地址的转换，并将数据报封装到以太网帧中，实现流程如下图所示：

void NetworkInterface::send_datagram( const InternetDatagram& dgram, const Address& next_hop )
{// Convert the Address to a numeric representation for easier lookupconst AddressNumber next_hop_ip = next_hop.ipv4_numeric();// Check if the next hop's Ethernet address is already in the ARP cacheauto arp_it = arp_cache_.find( next_hop_ip );if ( arp_it != arp_cache_.end() ) {// If found, get the Ethernet address and transmit the datagram immediatelyconst EthernetAddress& next_hop_ethernet_address = arp_it->second.ethernet_address;transmit( { { next_hop_ethernet_address, ethernet_address_, EthernetHeader::TYPE_IPv4 }, serialize( dgram ) } );return;}// If not found, queue the datagram for later transmissionpending_datagrams_[next_hop_ip].emplace_back( dgram );// Check if an ARP request for this IP is already pendingif ( pending_datagram_timers_.find( next_hop_ip )!= pending_datagram_timers_.end() ) {// If yes, do nothing; an ARP request is already in flightreturn;}// If no ARP request is pending, send one// Start a timer to track the ARP requestpending_datagram_timers_.emplace( next_hop_ip, Timer {} );// Construct the ARP request messageconst ARPMessage arp_request = {.opcode = ARPMessage::OPCODE_REQUEST,.sender_ethernet_address = ethernet_address_,.sender_ip_address = ip_address_.ipv4_numeric(),.target_ethernet_address = {}, // Target Ethernet address is unknown, hence left empty.target_ip_address = next_hop_ip};// Encapsulate the ARP request in an Ethernet frame and transmit it (broadcast)transmit({ { ETHERNET_BROADCAST, ethernet_address_, EthernetHeader::TYPE_ARP }, serialize(arp_request) });}

3.3 recv_frame：接收 Ethernet 帧

当网络接口收到以太网帧时，需要根据帧类型进行不同处理：

void NetworkInterface::recv_frame( EthernetFrame frame )
{// Ignore frames not destined for this interface's Ethernet address or the broadcast addressif ( frame.header.dst != ethernet_address_ && frame.header.dst != ETHERNET_BROADCAST ) {return;}// Check the Ethernet frame typeif ( frame.header.type == EthernetHeader::TYPE_IPv4 ) {// If it's an IPv4 datagram, try to parse itInternetDatagram dgram;if ( parse( dgram, frame.payload ) ) {// If parsing is successful, push the datagram onto the received queuedatagrams_received_.push( move( dgram ) );}return; // Processing finished for IPv4 frames}if ( frame.header.type == EthernetHeader::TYPE_ARP ) {// If it's an ARP message, try to parse itARPMessage msg;if ( !parse( msg, frame.payload ) ) {// If parsing fails, ignore the framereturn;}// Learn the mapping from the sender's IP and Ethernet addressesconst AddressNumber sender_ip = msg.sender_ip_address;const EthernetAddress sender_eth = msg.sender_ethernet_address;// Add or update the entry in the ARP cache, resetting its timerarp_cache_[sender_ip] = { sender_eth, 0 };// Check if this is an ARP request specifically for our IP addressif ( msg.opcode == ARPMessage::OPCODE_REQUEST && msg.target_ip_address == ip_address_.ipv4_numeric() ) {// If yes, construct an ARP replyARPMessage arp_reply = {.opcode = ARPMessage::OPCODE_REPLY,.sender_ethernet_address = ethernet_address_, // Our Ethernet address.sender_ip_address = ip_address_.ipv4_numeric(), // Our IP address.target_ethernet_address = sender_eth, // The original sender's Ethernet address.target_ip_address = sender_ip // The original sender's IP address};// Encapsulate the ARP reply in an Ethernet frame and transmit it back to the sendertransmit({ { sender_eth, ethernet_address_, EthernetHeader::TYPE_ARP }, serialize(arp_reply) });}// Check if we have any pending datagrams waiting for this sender's Ethernet addressauto it = pending_datagrams_.find(sender_ip);if ( it != pending_datagrams_.end() ) {// If yes, iterate through the pending datagramsfor ( const auto& dgram : it->second ) {// Transmit each pending datagram using the now-known Ethernet addresstransmit({ { sender_eth, ethernet_address_, EthernetHeader::TYPE_IPv4 }, serialize(dgram) });}// Remove the entry from the pending datagrams mappending_datagrams_.erase(it);// Remove the corresponding timer for the ARP requestpending_datagram_timers_.erase(sender_ip);}}
}

3.4 tick：时间驻留管理

网络接口需要定期处理超时事件，包括清理过期的ARP缓存条目和丢弃超时未响应的ARP请求。每过一段时间，需要扫描缓存，删除过期项：

删除缓存中 30s 未更新的 IP-MAC 映射
删除 5s 内未回复的 ARP 请求，并且不再发送

void NetworkInterface::tick(const size_t ms) {for (auto it = arp_cache_.begin(); it != arp_cache_.end(); ) {it->second.timer += ms;if (it->second.timer >= ARP_ENTRY_TTL_ms)it = arp_cache_.erase(it);else++it;}for (auto it = pending_datagram_timers_.begin(); it != pending_datagram_timers_.end(); ) {it->second += ms;if (it->second >= ARP_REQUEST_PERIOD_ms) {pending_datagrams_.erase(it->first);it = pending_datagram_timers_.erase(it);} else {++it;}}
}