100行代码实现TCP/IP协议栈

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使用约100行C语言代码，实现一个精简版的TCP/IP协议栈。通过手动解析以太网帧、IP包、UDP/TCP数据，深入理解协议栈工作原理。

背景介绍

网络编程中，TCP/IP协议栈是基础中的基础。然而系统自带的网络协议栈通常封装太深，不便于理解内部机制。本文将通过约100行C语言代码，从零开始实现一个简化的TCP/IP协议栈，帮助你掌握以太网/IP/UDP/TCP的报文结构与处理流程。

虽然简化了很多细节，但该实现涵盖协议栈的关键模块，适合用于教学、原理验证或网络抓包分析器的内核构建。

协议结构简介

网络通信中常见的协议报文结构如下图所示：

  • 以太网帧结构：
  • IPv4头部结构：
  • UDP头部结构：
  • TCP头部结构：

我们将以这些协议格式为基础，手动解析和构造数据包。

核心数据结构

我们从数据结构定义开始，模拟以太网、IP、UDP的头部布局：

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#define ETH_ADDR_LEN 6

// 以太网帧头
struct ethhdr {
    unsigned char dst_mac[ETH_ADDR_LEN];
    unsigned char src_mac[ETH_ADDR_LEN];
    unsigned short type;
};

// IPv4头部
struct iphdr {
    unsigned char version:4, hdrlen:4;
    unsigned char tos;
    unsigned short totlen;
    unsigned short id;
    unsigned short flag:3, offset:13;
    unsigned char ttl;
    unsigned char proto;
    unsigned short check;
    unsigned int sip;
    unsigned int dip;
};

// UDP头部
struct udphdr {
    unsigned short sport;
    unsigned short dport;
    unsigned short len;
    unsigned short check;
};

// 整个UDP数据包
struct udppkt {
    struct ethhdr eh;
    struct iphdr ip;
    struct udphdr udp;
    unsigned char payload[0];  // 柔性数组
};

报文处理流程

主循环读取原始数据包

通过 poll 监听设备读取数据包（如通过 netmap 获取）：

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if (pfd.revents & POLLIN) {
    unsigned char *stream = NULL;
    nty_nic_read(ctx, &stream);
    nty_eth_process(ctx, stream);
}

分发以太网帧

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int nty_eth_process(nty_nic_context *ctx, unsigned char *stream) {
    struct ethhdr *eh = (struct ethhdr*)stream;

    if (ntohs(eh->type) == 0x0800) {  // IP
        return nty_ipv4_process(ctx, stream);
    } else if (ntohs(eh->type) == 0x0806) {  // ARP
        return nty_arp_process(ctx, stream);
    }
    return 0;
}

IP层解析

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int nty_ipv4_process(nty_nic_context *ctx, unsigned char *stream) {
    struct iphdr *iph = (struct iphdr*)(stream + sizeof(struct ethhdr));
    if (ip_fast_csum(iph, iph->hdrlen)) return -1;

    if (iph->proto == 17) return nty_udp_process(ctx, stream); // UDP
    else if (iph->proto == 6) return nty_tcp_process(ctx, stream); // TCP
    else if (iph->proto == 1) return nty_icmp_process(ctx, stream); // ICMP

    return 0;
}

UDP处理和回应

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int nty_udp_process(nty_nic_context *ctx, unsigned char *stream) {
    struct udppkt *udp = (struct udppkt *)stream;
    int udp_length = ntohs(udp->udp.len);

    struct udppkt udp_rt;
    nty_udp_pkt(udp, &udp_rt);
    return nty_nic_write(ctx, &udp_rt, sizeof(struct udppkt));
}

void nty_udp_pkt(struct udppkt *udp, struct udppkt *udp_rt) {
    memcpy(udp_rt, udp, sizeof(struct udppkt));

    memcpy(udp_rt->eh.dst_mac, udp->eh.src_mac, ETH_ADDR_LEN);
    memcpy(udp_rt->eh.src_mac, udp->eh.dst_mac, ETH_ADDR_LEN);

    udp_rt->ip.sip = udp->ip.dip;
    udp_rt->ip.dip = udp->ip.sip;

    udp_rt->udp.sport = udp->udp.dport;
    udp_rt->udp.dport = udp->udp.sport;
}

ping实现（ICMP协议）

使用原始套接字构造并发送ICMP Echo请求：

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int fd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
setsockopt(fd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on));

// 构造 IP 和 ICMP 报文
struct iphdr *ip_hdr = (struct iphdr *)packet;
struct icmphdr *icmp_hdr = (struct icmphdr *)(packet + sizeof(struct iphdr));

ip_hdr->version = 4;
ip_hdr->ihl = 5;
ip_hdr->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct icmphdr) + data_len);
ip_hdr->ttl = 64;
ip_hdr->protocol = IPPROTO_ICMP;
ip_hdr->saddr = 0;
ip_hdr->daddr = ip;
ip_hdr->check = 0;

icmp_hdr->type = ICMP_ECHO;
icmp_hdr->checksum = Checksum((unsigned short *)icmp_hdr, sizeof(struct icmphdr) + data_len);

sendto(fd, packet, total_len, 0, (struct sockaddr *)&dst_addr, sizeof(dst_addr));
recvfrom(fd, packet, sizeof(packet), 0, (struct sockaddr *)&src_addr, &sock_len);

IP地址转换函数简介

函数 功能
inet_aton IP字符串 → 网络字节序数值
inet_addr IP字符串 → in_addr_t
inet_ntoa in_addr → 点分十进制字符串
inet_pton 表达 → 数值（支持IPv6）
inet_ntop 数值 → 表达（支持IPv6）

示例：

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struct sockaddr_in addr;
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &addr.sin_addr);
char ip[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &addr.sin_addr, ip, sizeof(ip));

总结

通过约100行C语言代码，我们完成了一个简化但可运行的TCP/IP协议栈雏形，实现了：

  • 以太网帧解析与协议识别
  • IP头部分析与协议分发
  • UDP回环通信
  • ICMP Ping 报文生成与发送

这一项目是学习网络协议的绝佳实践方式。深入理解底层通信机制，对于网络编程、安全分析、驱动开发等领域大有裨益。

延伸阅读

如你希望在此基础上继续支持TCP连接状态管理、三次握手、重传机制等，可逐步构建完整的协议栈模拟器。