【斯坦福计网CS144项目】Lab5: NetworkInterface

（旅游归来，先把这个系列的剩下两个 Lab 补完╰(￣▽￣)╭）

完成 Lab 4 后，恭喜你已经翻越了本门课程的最高峰，完成了传输层 TCP 协议的主体实现。剩下的两个 Lab 则是向下看，在网络层和链路层上实现一些功能，如讲义中下图所示。

实现前 4 个 Lab 后，我们已经能自行构造一个完整的 TCP 数据包。要将这个数据包传输到另一个终端，在实际操作上有以下几种方式：

• TCP-in-UDP-in-IP。Linux 提供了接口 UDPSocket，用户只需提交负载数据，所有层的打包工作由系统完成。于是可以将我们的 TCP 包利用这个接口套在 UDP 包中发送。
• TCP-in-IP。直接将 TCP 包放在 IP 数据报中发送。Linux 提供了 TUN，用户需提交完整的 IP 包，链路层打包由系统完成。注意课程组的代码中已经提供了 TCP 到 IP 包打包的实现，Lab 4 的测试中也已经使用过。
• TCP-in-IP-in-Ethernet。Linux 还提供了 TAP，用户直接提交链路层的完整帧，系统负责收送。这两节的 Lab 我们将要使用的就是这种方式，也就是要自己实现网络层和链路层上的一些功能。

具体来说，本节要实现的是一个网络层和链路层间的接口 NetworkInterface，解决数据包的收发问题。下一节我们还会继续用这个接口实现网络层的路由功能。

网络层 IP 地址与链路层 MAC 地址存在对应关系，当源主机不知道一个 IP 数据报的目标 IP 地址对应的 MAC 地址时，应该通过 ARP 地址解析协议，广播一个 ARP 请求，该 IP 的主机收到请求后产生 ARP 回复，告知自己的 MAC 地址，源主机收到回复记录该对应关系形成 ARP cache。该缓存也有时效性。ARP 协议的具体内容可以参考维基百科。

本次需实现的接口函数共 3 个：

• 发送：void NetworkInterface::send_datagram(const InternetDatagram &dgram, const Address &next_hop)。
  将一个 IP 数据报 InternetDatagram 打包成以太网帧 EthernetFrame。所谓发送和之前一样，将帧 push 到一个队列 _frames_out 中即可。如果 next_hop 对应的 MAC 地址不知道，就要用上面所说的 ARP 协议，广播 ARP 请求并将 IP 数据报暂存。请求相同 IP 地址的 MAC 地址的数据包至少 相隔 5 秒 才能重复发送。

• 接收：optional<InternetDatagram> NetworkInterface::recv_frame(const EthernetFrame &frame)。
  接收一个以太网帧，如果解析为 IP 数据报，则取出内容并返回；如果为 ARP，记录源主机的 IP 和 MAC 地址映射关系，如果查询的 IP 地址是自身，则产生 ARP 回复。记录的有效期是 30 秒，过期则废弃。

• 时间更新：void NetworkInterface::tick(const size_t ms_since_last_tick)。与之前 Lab 相同的被动时间感知。

代码实现按逻辑即可，没什么坑点，直接放链接:
network_interface.hh
network_interface.cc

通关截图：