1 实验内容

给定网络拓扑以及节点的路由表配置，实现路由器的转发功能，使得各节点之间能够连通并传送数据。

1. 在主机上安装arptables, iptables，用于禁止每个节点的相应功能
2. 运行给定网络拓扑(router_topo.py)

• 路由器节点r1上执行脚本(disable_arp.sh, disable_icmp.sh, disable_ip_forward.sh)，禁止协议栈的相应功能
• 终端节点h1-h3上执行脚本disable_offloading.sh

1. 在r1上执行路由器程序
2. 在h1上进行ping实验
3. 构造一个包含多个路由器节点组成的网络

• 手动配置每个路由器节点的路由表
• 有两个终端节点，通过路由器节点相连，两节点之间的跳数不少于3跳，手动配置其默认路由表

1. 连通性测试

• 终端节点ping每个路由器节点的入端口IP地址，能够ping通

1. 路径测试

• 在一个终端节点上traceroute另一节点，能够正确输出路径上每个节点的IP信息

2 实验原理

不同网络之间的数据传输需要用到路由器的数据转发功能。

当数据包到达路由器的端口时，需要查询路由表获取转发路径，在查询路由表时，数据包只包含目的地址，通常使用最长前缀匹配的方式来查找，路由表结构如下：

最长前缀匹配方式：(dst_ip & mask) == (dest & mask)，且掩码长度最长(mask值最大)

2.1 路由器总体实现逻辑

1. 处理ARP请求和应答

• 收到ARP请求时，如果Target Proto Addr为本端口地址，则ARP应答
• 转发数据包时，如果ARP缓存中没有相应条目，则发送ARP请求

1. ARP缓存管理

• 进行ARP查询、更新等操作

1. IP地址查找和IP数据包转发

• 收到数据包后，查找对应的转发端口；更新IP头部，转发数据包

1. 发送ICMP数据包

• 路由表查找失败；ARP查询失败； TTL值为0；收到ping本端口的包

2.2 路由器路由查找流程

1. 给定数据包，提取该数据包的目的IP地址

• 注意进行字节序转换：数据包中的都是网络字节序，本地存储的数据结构都为本地字节序

1. 遍历路由表（链表），使用最长前缀匹配查找相应条目

• 如果设置默认路由，则肯定能查找到匹配路由条目

1. 如果查找到相应条目，则将数据包从该条目对应端口转出，否则回复目的网络不可达(ICMP Dest Network Unreachable)。在转发数据包时：

1. 1. 对IP头部的TTL值进行减一操作，如果该值 <= 0，则将该数据包丢弃，并回复ICMP信息
   2. IP头部数据已经发生变化，需要重新设置checksum
   3. 在新的网络内发送数据包

• • 将以太网头部的源MAC地址设置为转发端口的MAC地址
  • 将目的MAC地址设置为对应的MAC地址

2.3 ARP查询

使用ARP机制查询下一跳IP地址对应的MAC地址：

• • 路由器维护一个缓存ARP相关内容的数据结构：arpcache
  • arpcache缓存两类数据：

• • • IP->MAC映射条目
    • 查找不到相应条目而等待ARP应答的数据包

ARP缓存操作：

• • 查找IP->MAC映射

• • • 如果在arp缓存中找到相应映射，则填充数据包的目的MAC地址，并转发该数据包
    • 否则，将该数据包缓存在arpcache->req_list中，并发送ARP请求

• • 收到新的IP->MAC映射

• • • 将该映射写入arp缓存中 ，如果缓存已满（最多32条），则随机替换掉其中一个
    • 将在缓存中等待该映射的数据包，依次填写目的MAC地址，转发出去，并删除掉相应缓存数据包

• • 每1秒钟，运行arpcache_sweep操作

• • • 如果一个缓存条目在缓存中已存在超过了15秒，将该条目清除
    • 如果一个IP对应的ARP请求发出去已经超过了1秒，重新发送ARP请求
    • 如果发送超过5次仍未收到ARP应答，则对该队列下的数据包依次回复ICMP（Destination Host Unreachable）消息，并删除等待的数据包

ARP协议格式：

2.4 ICMP数据包格式

1. 路由表查找失败

Type: 3, Code: 0, Rest of ICMP Header: 前4字节设置为0，接着拷贝收到数据包的IP头部（>= 20字节）和随后的8字节

1. ARP查询失败

Type: 3, Code: 1, Rest of ICMP Header: 同上

1. TTL值减为0

Type: 11, Code: 0, Rest of ICMP Header:同上

1. 收到Ping本端口的数据包（ Type为8 ）

Type: 0, Code: 0, Rest of ICMP Header: 拷贝Ping包中的相应字段

• • Type 8 表示 Echo Request，即Ping请求，用于向目标主机发送Ping包。
  • Type 0 表示 Echo Reply，即Ping应答，用于回应Ping请求。

3 实验流程与结果分析

3.1 实验具体实现

代码的实现逻辑自顶向下推导，如下框图所示：

对于数据包的处理包含两条逻辑：转发数据包类型还是icmp通信协议类型。对于数据包的转发需要考虑对路由表的遍历、最长前缀匹配以及是否满足转发条件；对于icmp通信协议类型则根据不同typ