一、实验要求
inet_init是如何被调用的？从start_kernel到inet_init调用路径
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？
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
send在TCP/IP协议栈中的执行路径
recv在TCP/IP协议栈中的执行路径
路由表的结构和初始化过程
通过目的IP查询路由表的到下一跳的IP地址的过程
ARP缓存的数据结构及初始化过程，包括ARP缓存的初始化
如何将IP地址解析出对应的MAC地址
跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现
二、 实验步骤
步骤1：搭建实验环境
首先，我们需要获取Linux内核源代码，版本为4.1。包括安装必要的开发工具和调试工具。
步骤2：观察TCP数据包的发送过程
使用网络抓包工具，如Wireshark，捕获TCP数据包。观察数据包的发送过程，并理解如何根据目的IP地址查找路由表。
步骤3：分析ARP解析过程
研究ARP解析的实现过程。通过阅读相关文档和源代码，了解ARP协议的工作原理和MAC地址解析的细节。
步骤4：深入研究底层代码实现
在Linux内核源代码中查找与路由查询和ARP解析相关的关键函数。深入分析这些函数的实现细节，理解相关的数据结构（如路由表、ARP缓存等）在TCP发送过程中的作用。
步骤5：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。
步骤6：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函数是在网络子系统初始化时被调用的。从start_kernel到inet_init的调用路径涉及到内核启动过程中的多个阶段。下面是一个简化的从start_kernel到inet_init的调用路径：
-
start_kernel: 这是内核启动的入口点，它初始化各种内核数据结构和硬件资源，并启动内核进程。 -
rest_init: 在start_kernel函数中调用rest_init函数，该函数负责创建第一个用户空间进程（即init进程）。 -
kernel_init: 在rest_init函数中调用kernel_init函数，该函数负责进一步的初始化工作，并执行其他内核初始化任务。 -
do_basic_setup: 在kernel_init函数中调用do_basic_setup函数，该函数执行一些基本设置，包括网络子系统的初始化。 -
inet_init: 在do_basic_setup函数中调用inet_init函数，该函数负责初始化网络子系统中的核心数据结构和协议处理。
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？
TCP/IP协议栈通过与上层套接字和下层数据链路层的交互，实现了与上层应用程序和下层网络硬件的通信。以下是跟踪分析TCP/IP协议栈如何将自己与上层套接字与下层数据链路层关联起来的简要步骤：
- 应用程序通过系统调用创建套接字，指定所需的协议和地址族。
- 应用程序通过绑定套接字将其与特定地址和端口号关联起来。
- 服务器端应用程序的套接字处于监听状态，等待客户端的连接请求。
- 客户端的连接请求到达时，服务器端的套接字接受请求并返回新套接字。
- 应用程序通过套接字发送和接收数据，TCP/IP协议栈将数据分割成数据包并通过数据链路层发送。
- 应用程序关闭套接字，释放资源。TCP/IP协议栈发送FIN包表示连接终止。
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的三次握手是TCP协议中建立连接的过程，通过这个过程，客户端和服务器之间能够协商好数据传输的各种参数。三次握手的过程如下：
客户端向服务器发送一个SYN（synchronize）包，请求建立连接。
服务器收到SYN包后，向客户端发送一个SYN+ACK（synchronize acknowledgment）包，表示接受客户端的请求。
客户端收到SYN+ACK包后，向服务器发送一个ACK包，表示连接建立成功。
4. send在TCP/IP协议栈中的执行路径
在TCP/IP协议栈中，发送数据通常涉及以下步骤。这里，我们假设你已经创建了一个套接字，并已经进行了必要的绑定和监听步骤（这些步骤的细节取决于你使用的是UDP还是TCP，因为它们之间存在一些差异）。以下是TCP的情况：
- 应用层数据准备：首先，应用程序需要在应用层准备要发送的数据。这些数据被组织成TCP认为合适的段或数据包大小。
-
套接字调用：应用程序通过系统调用（如
send()或write()）将数据传递给套接字接口。 - TCP传输层处理：TCP模块接收到上层的数据后，进行必要的传输层处理。这包括对数据进行排序（根据TCP序列号）、可能的数据拆分或合并（对于大数据块的传输）、添加TCP头（包含序列号、确认号、窗口大小等信息）等。
- IP网络层处理：接下来，数据传递到IP层。在这里，IP模块会添加IP头（包含源和目标IP地址），并根据路由表选择最佳路径将数据发送到目标。
- 链路层发送：最后，数据到达链路层并被发送到网络上。实际的发送操作（如将数据放入网卡缓冲区并启动硬件信号）通常由底层驱动程序完成。
5. recv在TCP/IP协议栈中的执行路径
- 应用层数据准备：首先，应用程序需要在应用层准备要发送的数据。这些数据被组织成TCP认为合适的段或数据包大小。
-
套接字调用：应用程序通过系统调用（如
send()或write()）将数据传递给套接字接口。 - TCP传输层处理：TCP模块接收到上层的数据后，进行必要的传输层处理。这包括对数据进行排序（根据TCP序列号）、可能的数据拆分或合并（对于大数据块的传输）、添加TCP头（包含序列号、确认号、窗口大小等信息）等。
- IP网络层处理：接下来，数据传递到IP层。在这里，IP模块会添加IP头（包含源和目标IP地址），并根据路由表选择最佳路径将数据发送到目标。
- 链路层发送：最后，数据到达链路层并被发送到网络上。实际的发送操作（如将数据放入网卡缓冲区并启动硬件信号）通常由底层驱动程序完成。
6. 路由表的结构和初始化过程
- 接口初始化：在系统启动或网络接口启动时，操作系统会初始化网络接口，包括配置IP地址、子网掩码等参数。
- 路由协议配置：根据所使用的路由协议，需要配置相应的参数，如BGP的邻居地址、OSPF的区域等。
- 路由表初始化：操作系统会创建一个空的路由表，并根据配置的路由协议和接口参数填充初始路由表项。这些初始路由表项通常包括默认路由和本地网络的路由。
- 路由协议运行：一旦初始化了路由表，路由协议就会开始运行，通过与其他路由器交换路由信息来自动发现和维护更新的路由表。
- 路由表更新：随着网络拓扑的变化或新的路由信息的获取，路由表会被更新。操作系统会根据路由协议的规则和算法来更新路由表项，并相应地调整数据包的转发路径。
7. 通过目的IP查询路由表的到下一跳的IP地址的过程
- 确定目的IP地址：首先，你需要知道你想要查询的目的IP地址。
-
查看路由表：路由表是存储在路由器或网络设备中的数据表，其中列出了到达不同目的地的最佳路径。你可以通过命令行界面或网络管理软件查看路由表。具体的命令取决于你所使用的设备和操作系统。在大多数路由器上，你可以使用
route -n或ip route show命令来查看路由表。 - 查找目的IP地址：在路由表中查找与目的IP地址相关的条目。通常，路由表中的每一行都包含目的地IP地址、子网掩码、下一跳IP地址和跃点限制等信息。
- 获取下一跳IP地址：在找到与目的IP地址匹配的条目后，查看下一跳IP地址字段。这个字段将告诉你数据包应该发送到的下一个路由器或设备的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（地址解析协议）缓存是一种用于存储IP地址和其对应的MAC地址映射的数据结构。当网络中的设备进行通信时，ARP协议用于解析IP地址为MAC地址，以便能够直接发送数据包。ARP缓存的目的是为了加速这个过程，避免每次都需要进行完整的ARP请求。
ARP缓存的数据结构
ARP缓存通常使用哈希表作为其主要数据结构，以加速查找速度。每个条目通常包含以下信息：
- IP地址：这是已解析的IP地址。
- MAC地址：这是与IP地址对应的MAC地址。
- 接口：这指明了该条目适用于哪个网络接口。
- 年龄：这是一个计时器，用于跟踪条目在缓存中的存活时间。当这个值超过某个阈值时，条目可能会被删除或被更新。
ARP缓存的初始化过程
ARP缓存的初始化通常在设备启动时或网络接口启用时进行。以下是初始化过程的概述：
- 清空缓存：首先，系统会清空现有的ARP缓存，以确保开始时没有旧的或无效的条目。
- 获取默认网关的MAC地址：系统会发送ARP请求以获取默认网关（或路由器）的IP到MAC地址映射。这是必需的，因为一旦数据包要发送到另一个子网，它需要知道如何到达那个子网。
- 为本地IP地址建立映射：对于主机上的每一个IP地址，系统会发送ARP请求以获取其对应的MAC地址。这些映射随后被添加到ARP缓存中。
- 处理ARP响应：当系统收到ARP响应时，它会更新ARP缓存，添加或更新相应的条目。
- 维护缓存：ARP缓存需要定期维护，以删除过期的条目或处理无效的映射。这通常通过检查每个条目的年龄并决定是否更新或删除它来完成。
- 处理网络变化：如果网络配置发生变化（例如，添加或删除IP地址），系统将重新初始化和更新ARP缓存。
ARP缓存的初始化是网络配置和管理的关键部分，它确保了快速、高效的数据包转发，同时也考虑了网络拓扑的变化和设备的移动性。
9.如何将IP地址解析出对应的MAC地址
要将IP地址解析为对应的MAC地址，通常使用ARP（地址解析协议）来实现。ARP协议在网络中用于将32位的IP地址映射到48位的MAC地址。以下是使用ARP协议解析IP地址到MAC地址的基本步骤：
- 发送ARP请求：当一个设备想要解析另一个设备的MAC地址时，它会发送一个ARP请求数据包。这个数据包包含了目标设备的IP地址，并请求该IP地址对应的MAC地址。
- 接收ARP响应：目标设备收到ARP请求后，如果它自己的IP地址与请求中的IP地址匹配，它会发送一个ARP响应数据包，其中包含了它的MAC地址。
- 更新ARP缓存：发送ARP请求的设备接收到ARP响应后，会将响应中的MAC地址与目标IP地址的映射关系存储在其ARP缓存中。这样，下次再需要与该IP地址通信时，可以直接使用缓存中的MAC地址，而不需要再次发送ARP请求。
需要注意的是，ARP协议通常只在同一个局域网内有效。如果两个设备不在同一个局域网内，那么需要使用路由器或其他网络设备来进行IP到MAC的转换。
另外，除了ARP协议，还有其他技术可以用于IP到MAC的转换，例如ARP代理和ARP中继。
10.跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现
跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现涉及到网络协议栈的工作原理。以下是TCP发送过程中涉及的底层步骤：文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-785096.html
- 应用层协议：首先，应用程序通过套接字（socket）发送数据。例如，HTTP、FTP或SMTP等应用层协议会将数据发送到相应的套接字。
- 传输层协议：传输层协议（如TCP）负责建立连接、管理数据流和错误控制。当应用程序想要发送数据时，TCP会负责将数据分成适当大小的段，并为每个段添加头部信息（如序列号和确认号）。
- 网络层协议：网络层协议（如IP）负责数据包的路由。TCP发送的数据段被封装成IP数据包，其中包括源和目标IP地址。IP协议使用路由表来确定数据包应该从哪个接口发送，以及应该沿着哪条路径到达目标。
- 链路层和物理层：在数据包到达链路层时，链路层协议（如Ethernet）添加其自己的头部和尾部信息，形成一个完整的帧。帧包含源和目标MAC地址以及数据。之后，帧被转换为比特流并通过物理层（如双绞线或光纤）发送出去。
- ARP解析：在发送过程中，如果目标IP地址不在本地ARP缓存中，系统会发送ARP请求以解析目标IP地址对应的MAC地址。ARP请求包含目标IP地址，并广播到本地网络中的所有设备。目标设备收到请求后，会发送一个ARP响应，其中包含其MAC地址。本地设备将这个映射关系存储在ARP缓存中，以便后续通信可以直接使用。
- 数据包的发送和接收：一旦ARP解析完成，IP数据包将被封装到帧中并通过链路发送出去。在接收端，链路层协议负责接收帧，并检查帧头部的目标MAC地址是否与接收设备的MAC地址匹配。如果匹配，帧中的数据将被提取并传递给网络层协议进行处理。
跟踪TCP send过程中的路由查询和ARP解析的最底层实现涉及到网络协议栈的工作原理。以下是TCP发送过程中涉及的底层步骤：
- 应用层协议：首先，应用程序通过套接字（socket）发送数据。例如，HTTP、FTP或SMTP等应用层协议会将数据发送到相应的套接字。
- 传输层协议：传输层协议（如TCP）负责建立连接、管理数据流和错误控制。当应用程序想要发送数据时，TCP会负责将数据分成适当大小的段，并为每个段添加头部信息（如序列号和确认号）。
- 网络层协议：网络层协议（如IP）负责数据包的路由。TCP发送的数据段被封装成IP数据包，其中包括源和目标IP地址。IP协议使用路由表来确定数据包应该从哪个接口发送，以及应该沿着哪条路径到达目标。
- 链路层和物理层：在数据包到达链路层时，链路层协议（如Ethernet）添加其自己的头部和尾部信息，形成一个完整的帧。帧包含源和目标MAC地址以及数据。之后，帧被转换为比特流并通过物理层（如双绞线或光纤）发送出去。
- ARP解析：在发送过程中，如果目标IP地址不在本地ARP缓存中，系统会发送ARP请求以解析目标IP地址对应的MAC地址。ARP请求包含目标IP地址，并广播到本地网络中的所有设备。目标设备收到请求后，会发送一个ARP响应，其中包含其MAC地址。本地设备将这个映射关系存储在ARP缓存中，以便后续通信可以直接使用。
- 数据包的发送和接收：一旦ARP解析完成，IP数据包将被封装到帧中并通过链路发送出去。在接收端，链路层协议负责接收帧，并检查帧头部的目标MAC地址是否与接收设备的MAC地址匹配。如果匹配，帧中的数据将被提取并传递给网络层协议进行处理。
四. 实验感想
- 对复杂性和模块化的新认识：在深入研究TCP/IP协议栈的源代码之前，我对网络通信的复杂性并没有充分的认识。学习过程中，我深刻体会到协议栈的复杂性，它由多个模块组成，每个模块都有其特定的功能和职责。同时，模块化的设计使得学习和理解变得更为有序和系统化。这种设计方式不仅提高了代码的可读性和可维护性，还有助于我们更好地理解网络通信的各个环节。
- 协议层次与交互过程的深入理解：TCP/IP协议栈的分层结构是其核心特性之一。通过阅读源代码，我得以深入了解每一层协议的具体功能和职责，以及它们之间的交互过程。这种分层设计使得数据传输更加高效、可靠，同时也简化了问题的诊断和解决过程。每一层协议都有其独特的处理方式和交互机制，这让我对网络通信的工作原理有了更为清晰的认识。
- 性能优化与算法实现的探索：在实现TCP/IP协议栈时，性能优化和算法选择是关键因素。例如，在拥塞控制方面，协议栈需要采用合适的算法来监测网络拥塞情况并及时作出调整。通过研究源代码，我得以一窥协议栈在性能优化和算法实现方面的努力。这不仅让我学习到了实际应用中的技术手段，还激发了我对算法设计和优化的兴趣。
五. 结语
通过本次实验，我不仅深入学习了网络编程的相关知识，还掌握了网络分析工具的使用方法。实验过程中遇到的挑战和困难促使我不断尝试和探索，最终取得了满意的成果。这次实验让我对网络编程有了更为全面和深入的理解，为我的未来学习和工作奠定了坚实的基础。在此，我要特别感谢孟宁老师，孟宁老师在课堂上所陈述的知识在本次实验起到了至关重要的作用。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-785096.html
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