CS144-2023-Spring network_interface.cc 功能部分实现讲解

type

status

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summary

类头文件简介

网络接口这个类，涉及到数据包发送（send_datagram）、数据包收取（recv_frame）、时间控制（tick）

、尝试发送（maybe_send）、查看 arp 缓存并发送数据包（check_arp_send_frame）这些方法，其中 check_arp_send_frame 是私有工具方法，是我添加到里面辅助处理数据的，具体的定义可以看下面的 .hh 文件。

其中在类 NetworkInterface 中定义了两个私有类 ArpTableEntry 与 ArpWaitingEntry ，分别用来表示 arp 表中的一条条目，以及已经发送 arp 请求但是还没有收到对应的回复信息的 ARP 条目。

ethernet_address_

该接口的网络地址

ip_address_

该接口的 IP 地址

arp_table_

std::unordered_map<uint32_t, ArpTableEntry> arp_table_
arp 缓存表
key：ip地址对应的 int 值
value：ArpTableEntry

time_ticks_

时钟数
ip 地址对应的 int 数值

waiting_for_arp_queue_

std::unordered_map<uint32_t, std::queue<std::shared_ptr<EthernetFrame>>> waiting_for_arp_queue_
key：ip地址对应的 int 值
value：对应 ip 地址的 arp 请求队列，保存的是对应的以太网请求帧的智能指针。

waiting_for_ack_arp_

std::unordered_map<uint32_t, std::shared_ptr<ArpWaitingEntry>> waiting_for_ack_arp_
key：ip地址对应的 int 值
value：已经发送 arp 请求包等待回应的 ArpWaitingEntry

time_ticks_

时钟数

std::shared_ptr<EthernetFrame> frame_;

发送的以太网帧

ethernet_queue_

std::queue<std::shared_ptr<EthernetFrame>>
队列内部是排队需要发送的以太网帧

arp_entry_timeout_

arp 条目默认超时时间：30000

arp_request_timeout_

arp 以太网请求包超时时间：5000

network_interface.hh

方法简介

`send_datagram`

方法函数原型如下，即上层应用程序给我一个 IP 数据报文，和报文需要发送到的下一跳地址，我们需要将其发送到对应的地址上去：

算法流程

查看 arp_table_ 是否存在对应 ip 的以太网 mac 地址

查看 waiting_for_ack_arp_ 是否存在已经发送过的对应 ip 地址的 arp 请求包。

如果两者都不存在

新建一个以太网帧智能指针对象

arp 广播请求包

放入到网络接口发送队列 ethernet_queue_ 中
更新 waiting_for_ack_arp_ 对 arp 请求报文进行追踪

如果 arp 请求包已经发送

新建一个以太网帧
如果 arp 条目存在

将以太网帧设置为对应目标的 mac 地址

否则

将目标地址设置为广播地址

解析 ip 数据报内容，设置对应的类型与 payload 信息
如果 arp 条目存在

直接放入发送队列

否则

将对应的帧放入对应 ip 的 arp 等待队列中（都是需要向这个 ip 发送的数据帧）

`recv_frame`

方法函数原型如下：即在一个以太网帧到来的时候需要采取的动作

optional<InternetDatagram> NetworkInterface::recv_frame( const EthernetFrame& frame )

方法流程：

如果目的地址不对，且不是广播地址

返回空 optional<InternetDatagram>

如果是 ARP 类型的帧

解析 payload
如果是请求帧

如果目标 ip 地址是本机地址
构建以太网 arp 回复帧，智能指针，准备将自己的 mac 地址返回
压入接口的发送缓存队列
调用 check_arp_send_frame 工具函数，检查是否需要更新对应的 arp 缓存项，或者是否有等待 arp 地址的以太网帧队列。

如果是回复帧

更新 arp 缓存表
调用 check_arp_send_frame 工具函数，检查是否需要更新对应的 arp 缓存项，或者是否有等待 arp 地址的以太网帧队列。

如果是 ipv4 类型的数据包

直接解析数据帧，交付将 IP数据报交付上层

如果是其他类型

返回空 optional<InternetDatagram>

`tick`

函数原型为：用来更新自上次调用此方法以来的毫秒数，用来跟踪与更新数据包的时间，控制超时行为

void NetworkInterface::tick( const size_t ms_since_last_tick )

方法行为

遍历 arp 缓存表，对应的缓存项目

加上 ms_since_last_tick
如果超时

将对应的条目删除，并更新迭代器

否则

更新迭代器

遍历 arp 请求缓存表

加上 ms_since_last_tick
如果超时

将对应的条目删除，并更新迭代器

否则

更新迭代器

maybe_send

函数原型为：如果此网络接口的缓存队列中有数据，直接发送，如果没有就返回空

optional<EthernetFrame> NetworkInterface::maybe_send()

`check_arp_send_frame`

函数原型：此工具函数输入参数为 mac 地址和 ip 地址

void NetworkInterface::check_arp_send_frame( EthernetAddress& ethernet_address, uint32_t& ip_address )

函数逻辑：

如果 arp 缓存表中包含对应的 ip 条目

如果 arp 缓存表中的 mac 地址与传入的 mac 地址不一致

更新 arp 缓存表

如果等待 arp 确认缓存表中存在此 ip 地址的信息

取消追踪

如果不存在对应 ip 条目

将对应的 ip 、mac 地址对加入到 arp 缓存表中

如果等待 arp 确认的发送队列 waiting_for_arp_queue_ 不为空

取出对应 ip 地址的智能指针队列
遍历队列

取出队列头
如果数据帧的目的地址与 arp 缓存表中的地址不一样（肯定不一样，因为放入队列的时候是广播地址）
更新目的 mac 地址
放入发送缓存队列中
删除队列头

清除对某 ip 的 arp 等待 ack 队列追踪