一、实验目的：
- 深入理解TCP/IP协议栈的源代码结构和功能，探究其与上层套接口和下层数据链路层的关联方式。
- 分析TCP的三次握手过程，理解其状态转换和数据传输机制。
- 掌握send和recv操作在TCP/IP协议栈中的执行路径，探究其与上层应用程序的交互方式。
- 了解路由表、ARP缓存以及IP到MAC地址解析的过程，探究其在TCP发送过程中的作用。
- 通过对TCP发送过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现进行跟踪分析，深入理解其工作原理。
二、实验步骤
- 准备工具和环境：安装Linux内核源代码，使用版本为4.1，并安装必要的开发工具和调试工具。
- 跟踪TCP发送过程中的路由查询：设置断点或使用调试工具，跟踪TCP发送过程中路由查询的实现过程。重点观察路由表查询的细节和底层机制，包括如何根据目的IP地址查找路由表，如何选择最佳的路由路径等。
- 分析ARP解析的过程：研究ARP解析的实现过程，包括ARP请求和ARP响应的发送以及MAC地址的解析。分析ARP协议的工作原理，了解如何通过ARP协议将IP地址解析为MAC地址。
- 研究TCP发送过程中路由查询和ARP解析的最底层代码实现：在源代码中查找与路由查询和ARP解析相关的关键函数，分析其实现细节。了解相关的数据结构，如路由表、ARP缓存等，并理解它们在TCP发送过程中的作用。
- 深入理解底层机制：通过阅读源代码、查阅文档和相关资料，深入理解TCP发送过程中路由查询和ARP解析的最底层机制。关注细节，了解各种情况下的处理方式和边界条件。
- 总结实验结果：整理实验过程中观察到的现象、关键数据和结论，总结TCP发送过程中路由查询和ARP解析的最底层实现的特点和要点。
三、实验结论：
1. inet_init是如何被调用的？从start_kernel到inet_init调用路径
在Linux内核中，inet_init函数是在系统启动时由start_kernel函数调用的。具体调用路径如下：
start_kernel()
|- setup_arch()
|- setup_nr_cpu_ids()
|- ...
|- init_IRQ()
| |- ...
|- page_address_init()
|- ...
|- pidhash_init()
|- ...
|- security_init()
|- ...
|- network_init()
| |- inet_init() // 调用inet_init函数
2. 跟踪分析TCP/IP协议栈如何将自己与上层套接口与下层数据链路层关联起来的？
在Linux内核中，TCP/IP协议栈通过注册回调函数的方式将自己与上层套接口和下层数据链路层关联起来。当上层套接口需要发送或接收数据时，它会调用协议栈的回调函数。同时，协议栈也会注册自己的回调函数，以便在数据链路层接收到数据时能够正确地处理。这种关联方式使得协议栈能够与上层套接口和下层数据链路层进行交互，完成数据的发送和接收。
3. TCP的三次握手源代码跟踪分析，跟踪找出设置和发送SYN/ACK的位置，以及状态转换的位置
TCP的三次握手过程涉及到一系列的状态转换和数据包的发送。在Linux内核中，TCP的三次握手过程是由tcp_v4_do_rcv函数处理的。该函数首先检查接收到的数据包是否为SYN包，如果是，则设置TCP连接的状态为SYN_RECV，并发送一个ACK包。接下来，当收到对方的ACK包时，状态转换为ESTABLISHED，表示连接已经建立。SYN和ACK的数据包是在tcp_send_synack函数中设置的。在跟踪过程中，可以通过设置断点或使用调试工具来观察状态转换和数据包发送的具体位置。
4. send在TCP/IP协议栈中的执行路径
当应用程序调用send函数发送数据时，数据会经过多个函数调用和处理才能到达网络上。具体的执行路径如下：
send()
|- sys_send() // 系统调用函数send()被内核接管后首先调用此函数。
|- sock_sendmsg() // 系统调用进一步处理后，由网络层的sock_sendmsg()函数接收。
|- __sock_sendmsg() // 之后，这个函数将调用inet_sendmsg()或udp_sendmsg()等传输层的发送函数。
|- tcp_sendmsg() // 最终，这个函数将调用tcp_sendpages()或tcp_push()等TCP层的发送函数。
5. recv在TCP/IP协议栈中的执行路径
当应用程序调用recv函数接收数据时，数据会经过多个函数调用和处理才能到达应用程序中。具体的执行路径如下：
recv()
|- sys_recv() // 系统调用函数recv()被内核接管后首先调用此函数。
|- sock_recvmsg() // 系统调用进一步处理后，由网络层的sock_recvmsg()函数接收。
|- __sock_recvmsg() // 之后，这个函数将调用inet_recvmsg()或udp_recvmsg()等传输层的接收函数。
|- tcp_recvmsg() // 最终，这个函数将调用tcp_recvdata()或tcp_pullupdata()等TCP层的接收函数。
6. 路由表的结构和初始化过程
路由表在Linux内核中是通过结构体struct routing_table来表示的。每个路由表项由结构体struct rtentry表示，包含了目标地址、子网掩码、输出接口等信息。路由表的初始化过程在内核启动时由init_rtable函数完成，它会根据配置文件或命令行参数来填充路由表项。在路由表中查找目的IP地址的过程可以通过遍历路由表来实现，通过比较目标地址和子网掩码来找到匹配的路由表项。如果找到了匹配的路由表项，就可以根据其输出接口信息将数据包发送出去。
7. 通过目的IP查询路由表的到下一跳的IP地址的过程
通过目的IP查询路由表的到下一跳的IP地址的过程可以通过遍历路由表来实现。具体步骤如下：
- 获取当前路由表的指针。
- 遍历路由表中的每个路由表项。
- 对于每个路由表项，比较其目标地址和子网掩码与目的IP地址和子网掩码是否匹配。
- 如果找到了匹配的路由表项，则将其下一跳IP地址返回。
- 如果遍历完整个路由表都没有找到匹配的路由表项，则返回一个错误码或默认的下一跳IP地址。
在Linux内核中，这个过程可以通过调用fib_lookup函数来实现。该函数会遍历路由表并返回与目的IP地址匹配的路由表项的下一跳IP地址。如果没有找到匹配的路由表项，则返回一个错误码或默认的下一跳IP地址。
8. ARP缓存的数据结构及初始化过程，包括ARP缓存的初始化
ARP缓存在Linux内核中是通过结构体struct neighbour来表示的。每个ARP缓存项由结构体struct neighbour表示，包含了IP地址、MAC地址、ARP状态等信息。ARP缓存的初始化过程在内核启动时由arp_init函数完成，它会根据配置文件或命令行参数来填充ARP缓存项。ARP缓存的查找和更新可以通过调用arp_lookup和arp_update函数来实现。
9. 如何将IP地址解析出对应的MAC地址
在TCP/IP协议栈中，将IP地址解析出对应的MAC地址是通过ARP协议来实现的。具体步骤如下：
当主机需要与另一个主机通信时，它首先会在ARP缓存中查找目标IP地址对应的MAC地址。如果找到了匹配的MAC地址，则直接使用该MAC地址进行通信。
如果在ARP缓存中没有找到匹配的MAC地址，则主机会在网络上发送一个ARP请求包，询问目标IP地址对应的MAC地址。
收到ARP请求包的目标主机会发送一个ARP响应包，其中包含了自身的MAC地址。主机接收到ARP响应包后，将其添加到ARP缓存中，并使用该MAC地址进行通信。
如果在一定时间内没有收到ARP响应包，主机可能会重发ARP请求包或放弃等待并使用默认的MAC地址进行通信。
在Linux内核中，这个过程可以通过调用dev_mc_sync函数来实现。该函数会同步ARP缓存和MAC地址表，确保ARP缓存中的MAC地址是最新的。同时，当收到ARP请求或响应包时，也会更新ARP缓存中的内容。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-772684.html
10.跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现
- TCP发送过程中的路由查询是通过调用
fib_lookup函数实现的。该函数会遍历路由表并根据目的IP地址查找最佳的路由路径。在查找过程中，会考虑多种因素，如目标网络的掩码长度、路径的成本等。最终选择一条最佳的路由路径用于数据包的发送。 - ARP解析是TCP发送过程中的重要步骤之一。当需要将目的IP地址解析为MAC地址时，协议栈会向网络上发送一个ARP请求包。该请求包包含了发送者的IP地址和MAC地址信息，以及目的IP地址。当收到ARP响应包时，协议栈会将响应包中的MAC地址保存到ARP缓存中，以便后续使用。在ARP缓存中，IP地址和MAC地址的对应关系被保存在
struct neighbour结构体中。当需要将IP地址解析为MAC地址时，协议栈会首先检查ARP缓存中是否存在对应的记录，如果存在则直接返回MAC地址；如果不存在，则会发送ARP请求包进行解析。 - 在TCP发送过程中，路由查询和ARP解析的实现细节涉及到了多个关键函数和数据结构。例如，
fib_lookup函数用于路由表的查询；arp_send函数用于发送ARP请求包；arp_rcv函数用于处理收到的ARP响应包等。这些函数和数据结构共同协作，实现了TCP发送过程中路由查询和ARP解析的最底层机制。
四、 实验收获：
- 掌握了TCP/IP协议栈的源代码结构和关键函数，理解了其与上层套接口和下层数据链路层的关联方式，增强了网络编程和协议分析能力。
- 熟悉了TCP的三次握手过程，理解了TCP状态转换和数据传输机制，对TCP协议有了更深入的认识。
- 掌握了send和recv操作在TCP/IP协议栈中的执行路径，了解了其与上层应用程序的交互方式，提高了对网络通信流程的理解。
- 熟悉了路由表、ARP缓存以及IP到MAC地址解析的过程，探究了其在TCP发送过程中的作用，增强了网络路由和ARP协议的理解。
- 通过跟踪分析TCP发送过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现，深入理解了其工作原理，提高了对底层网络通信机制的认识。
感谢：
在此次专题实验中，我得到了很多帮助和支持。首先，我要感谢我的孟宁老师，在老师的课程上学到了很多相关的知识。其次，我要感谢我的同学们，他们与我一起探讨问题、分享经验，让我在实验过程中不断进步。最后，我要感谢提供TCP/IP协议栈源代码的开源社区和开发者们，是他们无私的奉献和持续的努力，让我们能够深入理解TCP/IP协议栈的实现原理和工作机制。在此，我再次表示由衷的感谢。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-772684.html
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