计算机网络-CS144-lab6

build a Router based on Network Interface

在Network Interface的基础上实现一个Router
- 功能 : 根据 forwarding table (<ip_prefix - interface(port)>). 将来自ip的分组从正确的网卡接口转发出去.
- 匹配规则 : 最长前缀匹配
- 注意entry中需要记录next_hop_ip
我们的Router只实现了数据平面（转发），并没有实现控制平面（路由选择）
- 控制平面的路由选择算法有 LS , DV , RIP , OSPF. 详情见《自顶向下》

背景

本周在NetworkInterface之上实现一个IP Router. IP Router的任务是根据routing table转发. 对于收到的dgram,router有一系列规则
- 转发到正确的interface
- 获知下一跳的IP地址(为了使得Router将其传递给NetWork Interface , NetWork Interface根据ip获取下一跳的mac地址)
概述图

我们的任务是实现一个router. 去解决上述两个事情.

我们只实现了router的数据平面 , 并没有实现router的控制平面.
也即我们只实现了根据router的forwarding table,并没有实现生成forwarding_table的routing algorithm路由选择算法
- You will not need to implement the algorithms that make the routing table, e.g. RIP, OSPF,BGP, or an SDN controller—just the algorithm that follows the routing table.
IP router不必关系任何有关TCP,ARP,Ethernet协议字段的任何东西. 只关心IP协议字段即可.

接口

Router class 应该负责
- 维护forwarding table
- Router负责处理收到的网络层的datagram. 对于每个datagram
  - 正确的发到下一跳
  - 转发到正确的NetworkInterface

重要成员 forwarding_table的entry

struct RouterEntry{
    const uint32_t route_prefix;                //  ip
    const uint8_t prefix_length;                 //  ip_perfix_len
    const std::optional<Address> next_hop;       //  下一跳的ip地址 
    const size_t interface_num;             //  从哪个网卡转发出去 编号 
    RouterEntry(const uint32_t ip , const uint8_t prefix , const std::optional<Address> ne , const size_t interface_idx):
        route_prefix(ip),prefix_length(prefix),next_hop(ne),interface_num(interface_idx)
    {}
};
std::vector<RouterEntry> _forwarding_table{};

一来开始以为 既然我们的router只需要维护forwarding table并转发到正确的Interface. 因此forwarding table的entry并不需要记录next_hop_ip。只需要记录 <ip_perfix , interface>. 但由于之后forwarding_table要调用interface接口进行发送.为了使得interface可以获取到mac地址,需要传递给下一跳的ip地址, 故forwarding table的entry中还需要记录next_hop_ip

void add_route(const uint32_t route_prefix, const uint8_t prefix_length, const optional< Address > next_hop, const size_t interface_num);
- 保存一条 {ip_perfix,network_interface}到forwarding_table中

void route_one_datagram(InternetDatagram &dgram);
- “match-action” rule :
  - 依据我们在《自顶向下》中所学，router应当对收到的dgram执行匹配加动作规则。而传统路由器的动作就是根据目的地转发. 也即本lab中实现的匹配加转发
  - 匹配 : 将dgram中的ip和forwarding_table中的ip进行 最长前缀匹配
  - 动作 : 转发
    - 如果router和dst ip在同一网络中(If the router is directly attached to the network in question) , 那么forwarding_table中的entry记录的next_hop_ip为empty, router传递给network_interface的next_hop_ip为dgram_dst_ip
    - 如果router和dst ip不在同一网络中(But if the router is connected to the network in question through some other router) , 那么entry中会记录路径上的下一跳ip地址(应该是个router ip)
- 步骤如下 , 根据forwarding_table找到最长前缀匹配的entry
  - 没找到 , drop the dgram
  - 找到 , dgram TTL –.
    - 如果TTL已经 <= 0 则 drop the dgram
    - 否则 , 将dgram转发给正确的interface , 由interface将其封装成frame发送出去.

void Router::route()
- (Linker) 从network interface取出dgrams , (Internet) 调用route_one_datagram(dgram) , (Linker) 进而转发到正确的network interface 发送出去
- Linker -> Internet -> Linker
网络协议巧妙设计 : 分层. router只关注网络层.
- Router不必关注frame中封装的TCP 还是ARP ,也不必关注link layer frame类型.
- Router只需要关注网络层的Internet datagram , 然后通过NetworkInterface 来和链路层link layer进行交互
- When it comes to questions like, “How are link-layer addresses resolved?” or “Does the link layer even have its own addressing scheme distinct from IP?” or “What’s the format of the link-layer frames?” or “What’s the meaning of the datagram’s payload?”, the router just doesn’t care.
代码略简单
ques : 如果router drop dgram : 没有找到对应entry , 或者ttl = 0 . 是否需要发送icmp 报文给源主机 ?
- 在真实生活中 , router需要发哦是那个icmp给源主机 . 但lab中这不是必需的.即便在真实生活中 , 不是所有router都需要发送icmp报文给源地址的.

测试

测试原理. test code中的NetWork 模拟的就是下图交互情况. NetWork中的_router就是图中中间的路由器

apleasure to cherry

app to internet

cout << green << "\n\nSuccess! Testing applesauce sending to the Internet." << normal << "\n\n";
{
    auto dgram_sent = network.host("applesauce").send_to({"1.2.3.4"});
    dgram_sent.header().ttl--;
    network.host("default_router").expect(dgram_sent);
    network.simulate();
}

cout << green << "\n\nSuccess! Testing sending to the HS network and Internet." << normal << "\n\n";
{
    auto dgram_sent = network.host("applesauce").send_to({"143.195.131.17"});
    dgram_sent.header().ttl--;
    network.host("hs_router").expect(dgram_sent);
    network.simulate();

    dgram_sent = network.host("cherrypie").send_to({"143.195.193.52"});
    dgram_sent.header().ttl--;
    network.host("hs_router").expect(dgram_sent);
    network.simulate();

    dgram_sent = network.host("cherrypie").send_to({"143.195.223.255"});
    dgram_sent.header().ttl--;
    network.host("hs_router").expect(dgram_sent);
    network.simulate();

    dgram_sent = network.host("cherrypie").send_to({"143.195.224.0"});
    dgram_sent.header().ttl--;
    network.host("default_router").expect(dgram_sent);
    network.simulate();
}

同一LAN

auto dgram_sent = network.host("dm42").send_to(network.host("dm43").address());
dgram_sent.header().ttl--;
network.host("dm43").expect(dgram_sent);
network.simulate();