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computer-system-design-network

面向《计算机系统设计》课程的网络实验项目集合。当前实现 Rust 版以太网帧收发工具 enternet，并已实现 IPv4（网络层）、UDP（传输层）与 ARP（地址解析协议）功能，支持分片/重组、首部校验和、UDP 校验和与自动 MAC 解析。

目录结构

network/
└── net/
  ├── Cargo.toml
  ├── Makefile
  ├── data/
  │   ├── input_file.txt
  │   ├── output_file.txt
  │   └── tools/
  │       └── gen_and_verify.py
  └── src/
    ├── main.rs
    ├── config.rs        # 常量与网络参数（子网掩码/网关/DNS/DHCP 等）
    ├── cli/             # 命令行解析与交互
    ├── enternet/        # 数据链路层（帧、队列、ARP、datalink）
    │   ├── frame.rs     # 以太网帧常量与工具（MAC/ETHertype/CRC）
    │   ├── arp.rs       # ARP 报文与缓存、解析与应答
    │   ├── net.rs
    │   └── datalink/
    │       ├── send.rs  # 发送路径（ARP 解析后发 IPv4）
    │       └── recv.rs  # 接收路径（监听 ARP/IPv4）
    ├── ip/              # 网络层 IPv4 模块（构造/解析/重组/校验和）
    │   ├── common.rs
    │   ├── builder.rs
    │   ├── parser.rs
    │   ├── reassembly.rs
    │   ├── checksum.rs
    │   └── tests.rs
    └── udp/             # 简单的传输层 UDP 实现
      ├── mod.rs
      ├── send.rs
      ├── recv.rs
      ├── socket.rs
      ├── types.rs
      └── test/
        ├── api.rs
        └── mod.rs

已完成功能

  • 数据链路层（enternet）

    • 以太网帧构造（src/enternet/frame.rs）：
      • 以太网头（目的/源 MAC + EtherType）。
      • 载荷：IPv4 报文或任意字节序列。
      • CRC32 计算与附加；接收端验证 CRC，错误帧丢弃并记录日志。
      • 最小帧长度补齐到 64 字节。
    • 发送流程（datalink/send.rs）：
      • 读取 data/input_file.txt，支持应用元数据（文件名与长度）。
      • 将数据拆成 IPv4 分片（见 IP 模块），为每片构建以太网帧并入队，由发送线程通过 libpcap 发送。
    • 接收流程（datalink/recv.rs）：
      • 通过 libpcap 捕获帧（BPF：arp or ether proto 0x0800）。
      • 验证长度与 CRC，剥离载荷交付上层 IPv4。
      • 打印源/目的 MAC、EtherType、帧长等信息。
    • 队列：SendQueue / RecvQueue 解耦抓包/发送与磁盘 I/O。

  • 网络层 IPv4（src/ip/）

    • 分片构造（builder.rs）：按 1400B 阈值、8 字节对齐生成分片，设置标志位与片偏移，计算首部校验和。
    • 首部解析（parser.rs）：校验版本、IHL、总长度、校验和、标志位与片偏移。
    • 分片重组（reassembly.rs）：缓存分片按偏移重组，支持超时清理。
    • 校验和（checksum.rs）：IPv4 首部校验和计算。
    • 单元测试（tests.rs）：覆盖分片/重组与校验和等核心逻辑。

  • ARP（src/enternet/arp.rs）

    • ARP 报文字段定义与帧构造（请求/应答）。
    • ARP 缓存（静态/动态，TTL=10 分钟），支持缓存查找、学习与插入；解析过程中采用 3 次重试和 10s 超时策略。
    • 根据子网掩码判断同网段/跨网段，发送路径在发送 IPv4 前触发 ARP 解析（支持命令行指定静态 MAC 以跳过 ARP）。
    • 接收路径集成：监听 ARP 并对针对本机的请求即时应答；收到的应答会写入缓存以供后续发送使用。

  • 配置（config.rs）：支持环境变量覆盖网络参数（NET_SUBNET_MASK、NET_GATEWAY_IP、NET_DNS1、NET_DNS2、NET_DHCP）。

  • CLI：send <iface> <dest-ip> [protocol] [dest-mac]，dest-mac 为空时自动 ARP 解析。

本次增量（UDP 协议）

  • 模块新增：net/src/udp，包含 mod.rs、send.rs、recv.rs、socket.rs、types.rs，以及若干单元/集成测试，用于实现教学目的的 UDP 传输功能。
  • 发送侧（send.rs）：实现 sendto，按 UDP 协议构建报头（源/目的端口、长度、校验和），将用户数据封装为 UDP 段并调用 ip::build_ipv4_packets 进行 IPv4 封装与分片，最终通过 enternet::frame::build_frame + libpcap 发送以太网帧。
  • 接收侧（recv.rs）：解析 IPv4 负载中的 UDP 头部，校验 UDP 校验和（支持校验和值为 0 的场景），将有效载荷入队到对应的 socket。
  • Socket 抽象（socket.rs / types.rs）：提供轻量的 socket API（socket、bind、recvfrom、sendto、closesocket、socket_on_iface 等），支持在指定网卡上进行绑定与发送/接收操作，便于在端到端测试中传输文件。
  • 集成要点：发送路径会使用现有 ARP 模块解析下一跳 MAC；UDP 段使用 IPv4 分片器处理大数据；所有发送/接收操作带有日志打印，便于在测试与调试时观察进度与错误信息。

运行与测试

  1. 构建

    cd net
make build   # 或 cargo build

  2. 生成测试数据

    python3 net/data/tools/gen_and_verify.py generate 4096

  3. 单元测试（IPv4 模块）

    cd net
cargo test
cargo test ipv4

  4. 端到端测试（含 ARP）

    • 接收端（机器 A / 终端 1）： 
      cd net
sudo cargo run -- recv <iface>
# 或
make run-recv
    • 发送端（机器 B / 终端 2）： 
      cd net
sudo cargo run -- send <iface> <dest-ip> [protocol] [dest-mac]
# 或
make run-send
      提示：
      • dest-mac 可选；留空会广播 ARP 请求并自动学习应答。
      • 若网络设备开启客户端隔离（Wi‑Fi AP Isolation），ARP 可能无法到达对端，建议在同一二层网络或改用有线。
      • 如需覆盖网络参数，设置环境变量后再运行命令：NET_SUBNET_MASK=255.255.255.0 NET_GATEWAY_IP=192.168.1.1 sudo cargo run ...
    • 验证传输完成： 
      python3 net/data/tools/gen_and_verify.py test

  5. 端到端测试（UDP）

以下示例优先使用 make 目标（net/Makefile），便于在交互式与 CI 场景中统一执行：

  • 在接收端（机器 A / 终端 1）运行（交互式会提示网卡/端口/输出文件）：

    cd net
make udp-recv
# 或者非交互式：
IFACE=eth0 LISTEN_PORT=40000 OUTPUT=received.bin make udp-recv

  • 在发送端（机器 B / 终端 2）运行（交互式会提示网卡/目标 IP/端口/文件）：

    cd net
make udp-send
# 或者非交互式：
IFACE=eth0 DEST_IP=192.168.1.10 DEST_PORT=40000 FILE=data/input_file.txt SRC_PORT=50000 make udp-send

  • 验证：接收端完成后，使用校验脚本对 received.bin 与原始文件比对：

    python3 data/tools/gen_and_verify.py test --file received.bin

提示：

  • make udp-send / make udp-recv 会先构建可执行文件（cargo build），并使用 sudo 运行生成的二进制以获取 libpcap 权限；可通过设置 IFACE、DEST_IP、DEST_PORT、FILE、SRC_PORT、LISTEN_PORT、OUTPUT 等环境变量以跳过交互提示。
  • 若在虚拟机或受限网络环境下测试，请确保发送/接收两端处于同一二层网络（以便 ARP 可达），或提前在接收端设置静态 MAC（在 CLI 中传入 dest-mac）以绕过 ARP。
  1. 可执行文件直接运行 
    cd net/target/debug
sudo ./net recv
sudo ./net send

注意事项与限制

  • 教学实现：
    • 未实现 ICMP 回显（ICMP 功能未完全覆盖）。
    • 未实现完整的 TCP 协议（完整 TCP 实现不在本仓库范围内）。
    • 已实现的协议：IPv4、UDP（基础发送/接收、socket 抽象与校验和）和 ARP（基础解析与应答）。
  • 测试与运行：
    • 请在非生产网络中测试，避免影响实际业务。
    • 发送/抓包需 libpcap 权限（通常需要 sudo 或 root 权限）。
    • 回环接口（lo0）无以太网帧与 MAC 层，不适用于 ARP/以太网层测试。