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Lab 3 网络接口与 IP 路由器

注意

实验报告提交 DDL 为 2026 年 11 月 1 日 23:59，请同学们留意。

提交作业时请同时提交实验报告和源代码（可以只提交已修改的部分）。

1 引言

在上一次实验中，我们熟悉了 socket 提供的部分接口，例如 connect()、write() 和 read()，并实现了一个简化的 socket 读写缓冲区（ByteStream）。为了与课程进度保持一致，我们暂时将 TCP Receiver、TCP Sender 和 TCP Connection 安排在后续两次实验中。本次实验将聚焦于网络层与链路层的交互，并实现以下两个组件：

  • 网络接口（Network Interface）：解析下一跳 IP 地址对应的以太网地址，即实现地址解析协议（ARP）。
  • 简易路由器（Router）：根据给定的数据报确定下一跳 IP 地址和发送接口。

2 网络接口

本章将实现网络接口类，使其能够收发数据报。实现前，需要先了解 MAC 地址及其作用。

2.1 IP 地址与 MAC 地址

IP 地址是网络层使用的逻辑地址；MAC 地址（以太网地址）是数据链路层用于标识网络接口的地址。MAC 地址通常由网卡制造商分配，但也可以由软件配置。如下图所示，源主机发送数据时，数据会从高层到低层依次封装。IP 数据报交给数据链路层后，会被封装成以太网帧，再通过通信链路传输。

format

如下图所示，以太网帧在本地链路上传输时，其首部记录的是源 MAC 地址和目的 MAC 地址；作为帧负载的 IP 数据报则保留端到端的源 IP 地址和目的 IP 地址。如果数据报的最终目的主机与发送方位于同一局域网，帧的目的 MAC 地址就是该主机的 MAC 地址；如果最终目的主机位于其他网络，帧的目的 MAC 地址则是下一跳路由器的 MAC 地址。因此，网络接口发送数据报前需要获得下一跳 IP 地址对应的 MAC 地址。

sendframe

2.2 地址解析协议（ARP）

那么，网络接口如何找到下一跳 IP 地址对应的 MAC 地址呢？这就需要用到 地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）。地址解析是指网络接口在发送以太网帧前，查询本地链路中某个 IP 地址对应的 MAC 地址，如下图所示。

arp_trans

每个网络接口都会维护一个 ARP 缓存表，记录当前已知的 IP 地址到 MAC 地址的映射，如下表。当主机 A 需要发送 IP 数据报时，会先根据路由结果确定下一跳 IP 地址，再在 ARP 缓存表中查找相应的 MAC 地址。如果找到，就将该地址写入以太网帧首部并发送；如果没有找到，则在本地链路上广播 ARP 请求。拥有目标 IP 地址的主机或路由器收到请求后，会单播发送 ARP 应答。发送方收到应答后，将映射写入 ARP 缓存表。为了避免使用陈旧映射并节省空间，每个缓存表项只保留 30 秒，超时后应将其删除。

主机名称 IP 地址 MAC 地址
A 192.168.38.10 00-AA-00-62-D2-02
B 192.168.38.11 00-BB-00-62-C2-02
C 192.168.38.12 00-CC-00-62-C2-02
D 192.168.38.13 00-DD-00-62-C2-02
E 192.168.38.14 00-EE-00-62-C2-02
... ... ...

2.3 实现网络接口类

在实现之前，你需要：

  • 阅读 libsponge/tcp_helpers/ethernet_frame.hh 和 libsponge/tcp_helpers/ethernet_header.hh，了解如何组装以太网帧。
EthernetFrame frame;
frame.header().src = ?;
frame.header().dst = ?;
frame.header().type = ?;
frame.payload() = ?;

  • 阅读 libsponge/tcp_helpers/ipv4_datagram.hh 和 libsponge/tcp_helpers/ipv4_header.hh，了解如何将数据报序列化为以太网帧的负载，以及如何反序列化该负载以读取数据报。

  • 阅读 libsponge/tcp_helpers/arp_message.hh，了解如何组装 ARPMessage 对象，以及如何对其进行序列化和解析。

ARPMessage arp_request;
arp_request.opcode = ?;
arp_request.sender_ethernet_address = ?;
arp_request.sender_ip_address = ?;
arp_request.target_ethernet_address = ?;
arp_request.target_ip_address = ?;

你需要实现 libsponge/network_interface.hh 和 libsponge/network_interface.cc。实现后的网络接口需要满足以下要求：

  • 发送数据报：查询 ARP 缓存表并组装以太网帧。如果缓存表中没有下一跳的映射，则缓存待发送的数据报并广播 ARP 请求。对于同一个尚未解析的 IP 地址，如果最近 5 秒内已经发送过 ARP 请求，则只缓存数据报，不重复发送请求；超过 5 秒后，后续发送数据报时可以再次触发 ARP 查询。
  • 接收以太网帧：如果帧中包含 IPv4 数据报，则将其传递给网络层；如果帧中包含有效的 ARP 消息，则记录请求或应答中发送方的 IP 地址与 MAC 地址。仅当 ARP 请求询问本接口的 IP 地址时才发送应答；获得映射后，发送等待该映射的缓存数据报。
  • 维护 ARP 缓存表：每个表项保留 30 秒，超时后将其删除。

具体来说，你需要在 .hh 文件中添加必要的成员变量，并在 .cc 文件中实现以下三个方法：

void NetworkInterface::send_datagram(const InternetDatagram &dgram, const Address &next_hop);
// 如果 ARP 缓存表中已有下一跳的以太网地址，则创建一个类型为 EthernetHeader::TYPE_IPv4 的以太网帧，以序列化后的数据报为负载，设置源和目的以太网地址后立即发送。
// 如果下一跳的以太网地址未知，则缓存数据报。若最近 5 秒内没有为同一个下一跳 IP 地址发送过 ARP 请求，则广播一个 ARP 请求；否则只需等待已有请求的应答。

optional<InternetDatagram> NetworkInterface::recv_frame(const EthernetFrame &frame);
// 首先，检查目标 MAC 地址。如果它既不是本接口的地址，也不是广播地址，则直接丢弃该帧。
// 如果以太网帧的类型为 IPv4，则调用 parse() 将有效负载解析为 InternetDatagram。若解析成功，即 parse() 返回 ParseResult::NoError，则将结果返回给调用者。
// 如果入站帧的类型为 ARP，则将负载解析为 ARPMessage。解析成功后，记录发送者的 IP 地址到以太网地址的映射并保留 30 秒，随后发送等待该映射的缓存数据报。
// 如果收到的是针对本接口 IP 地址的 ARP 请求，则发送适当的 ARP 应答。

void NetworkInterface::tick(const size_t ms_since_last_tick);
// 删除 ARP 缓存表中已过期的映射，并根据 ms_since_last_tick 更新其余表项的剩余有效时间。
// ARP 请求记录保留 5 秒。删除已过期的记录，使后续的 send_datagram 调用可以再次发送请求，并根据 ms_since_last_tick 更新其余记录的剩余有效时间。

完成实现并重新编译后，在 build/ 目录中运行 ctest -V -R "^arp" 进行测试。实现正确时，将看到类似以下输出：

$ ctest -V -R "^arp"
UpdateCTestConfiguration  from :/path/to/zju-comnet-labs-2026/build/DartConfiguration.tcl
UpdateCTestConfiguration  from :/path/to/zju-comnet-labs-2026/build/DartConfiguration.tcl
Test project /path/to/zju-comnet-labs-2026/build
Constructing a list of tests
Done constructing a list of tests
Updating test list for fixtures
Added 0 tests to meet fixture requirements
Checking test dependency graph...
Checking test dependency graph end
test 32
    Start 32: arp_network_interface

32: Test command: /path/to/zju-comnet-labs-2026/build/tests/net_interface
32: Working Directory: /path/to/zju-comnet-labs-2026/build
32: Test timeout computed to be: 10000000
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address ea:29:0b:b1:3e:ea and IP address 4.3.2.1
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address b2:41:4b:b9:a7:80 and IP address 5.5.5.5
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address d6:f4:18:dd:0e:cd and IP address 5.5.5.5
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address 1a:14:0c:94:ed:0b and IP address 1.2.3.4
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address c2:13:57:87:a7:91 and IP address 4.3.2.1
32: DEBUG: Network interface has Ethernet address da:03:ee:67:f0:25 and IP address 10.0.0.1
1/1 Test #32: arp_network_interface ............   Passed    0.01 sec

The following tests passed:
        arp_network_interface

100% tests passed, 0 tests failed out of 1

Total Test time (real) =   0.01 sec

3 简易路由器

上一章实现了网络接口，本章将在此基础上实现简易路由器。

3.1 路由器

路由器用于连接两个或多个不同的网络。它通常包含多个网络接口，每个接口都连接到一个局域网，并具有属于该局域网网段的 IP 地址。局域网内的主机需要访问其他网络时，会将路由器作为网关。

路由器从任一接口收到 IP 数据报后，会根据目的 IP 地址查询路由表，选择合适的下一跳和输出接口进行转发。目的 IP 地址不属于路由器自身并不是丢弃数据报的理由；只有在 TTL 不足、没有匹配路由等情况下，路由器才会丢弃数据报。

router

3.2 路由表

路由表是路由器用来确定数据报转发路径的数据结构。它记录不同目的网络与对应转发路径之间的映射关系。每一行代表一个路由条目，通常包含以下字段：

字段名称 含义
目的网络前缀 需要匹配的网络前缀 route_prefix，例如 192.168.1.0
前缀长度 需要匹配的高位比特数 prefix_length，例如 /24
下一跳 下一跳的 IP 地址 next_hop；为空时表示直连，并将数据报的目的 IP 地址作为下一跳
接口号 数据报通过哪个网络接口发出，对应 interface_num

当一个 IP 数据报到达路由器时：

  1. 路由器检查数据报的目的 IP 地址。
  2. 与路由表中的所有条目进行匹配。
  3. 按照最长前缀匹配（Longest Prefix Match）原则选择最具体的路由。
  4. 根据匹配到的条目，将数据报从对应的接口转发到合适的下一跳。

例如，若目的地址为 192.168.1.25，且路由表包含：

  • 192.168.1.0/24 → eth0
  • 192.168.0.0/16 → eth1

路由器将选择前缀更长的 /24 路由。

提示

如需在 32 位整数与 Address 对象之间转换，可以使用 Address::from_ipv4_numeric() 和 Address::ipv4_numeric()。

3.3 实现路由类

你需要实现 libsponge/router.hh 和 libsponge/router.cc。具体来说，需要在 .hh 文件中添加必要的成员变量，并在 .cc 文件中实现以下两个方法：

void Router::add_route(const uint32_t route_prefix,
                       const uint8_t prefix_length,
                       const optional<Address> next_hop,
                       const size_t interface_num);
// 此方法用于添加路由条目。请在 Router 类中添加保存路由表的私有成员，并在此方法中存储 route_prefix、prefix_length、next_hop 和 interface_num。

void Router::route_one_datagram(InternetDatagram &dgram);
// 此方法需要根据“最长前缀匹配”规则，选择适当的输出接口和下一跳来转发数据报。
// 如果数据报的 ttl 小于或等于 1，则直接丢弃；否则将 ttl 减 1。数据报后续序列化时会重新计算 IPv4 首部校验和。
// 对于一条路由，如果目的 IP 地址与 route_prefix 的高 prefix_length 位相同，则该路由匹配。在所有匹配项中选择 prefix_length 最大的路由；如果没有匹配项，则丢弃数据报。
// 如果所选路由的 next_hop 有值，则将其作为下一跳；如果 next_hop 为空，则将数据报的目的 IP 地址作为下一跳。最后，通过 interface_num 指定的接口发送数据报。

完成实现并重新编译后，在 build/ 目录中运行 make check_lab1 进行测试。实现正确时，将看到类似以下输出：

$ make check_lab1
Testing Lab 1...
Test project /home/cs144/project/zju-comnet-labs-2026/build
    Start 32: arp_network_interface
1/2 Test #32: arp_network_interface ............   Passed    0.00 sec
    Start 33: router_test
2/2 Test #33: router_test ......................   Passed    0.01 sec

100% tests passed, 0 tests failed out of 2

Total Test time (real) =   0.01 sec
Built target check_lab1