Lab 002 · IPv4 / ICMP / ping 验证

对应 document/book/17-net/002/。验证档 A 档:本章的 punchline 是 ping 10.0.2.2 真往返 QEMU SLIRP 网关(发 ICMP echo、收回 echo reply)。验证分两层——先看内核测试把栈在 loopback(确定性)和 e1000(真硬件)上都验过,再看解耦门禁(check_net_decoupling)把「栈不依赖驱动」这条规矩机器执行住。

目标

确认四件事:

1. loopback ping 通(test_ping_loopback:栈逻辑在确定性试验台上端到端对);
2. e1000 ping 10.0.2.2 通(test_ping_e1000:真硬件、真 SLIRP 往返);
3. 解耦门禁绿(check_net_decoupling:kernel/net/ 不 include 驱动头、NIC 适配器不调 ::instance());
4. 看清两条接缝(NetDevice 设备接缝、ProtocolHandler 协议接缝)和「底子优先」的分层。

步骤

1. loopback ping(确定性证明)

这一步验的是「栈逻辑对不对」,不碰硬件时序。run-kernel-test 默认挂 e1000 + loopback 都在:

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -aE "test_net::|=== net" | head

应看到 === net === 段下四项全 PASS:test_ping_loopback(loopback ping 127.0.0.1,一个 poll 端到端)、test_ping_e1000(真 ping 10.0.2.2)、test_production_ping(生产栈)、test_syscall_ping(sys_ping syscall)。test_ping_loopback 是「底子」被证明对的关键——它在纯软件设备上完成 request→reply 往返,没有 sti/hlt、没有 SLIRP 时序,栈逻辑对才过。

2. e1000 ping 10.0.2.2(A 档 punchline)

真硬件往返。test_ping_e1000 在内核里发 ICMP echo 到 SLIRP 网关 10.0.2.2、等回复:

cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -aE "e1000 ping|reply id=" | head

应看到类似 [net] e1000 ping 10.0.2.2: reply id=... seq=1。这证明 ARP 解析(把 10.0.2.2 翻成网关 MAC)+ IPv4 包头 + ICMP echo 真发出去了、SLIRP 的 echo reply 真收回来了。栈在 loopback 上对了,接 e1000 才一次过——这就是「底子优先」的回报。最终 949 passed, 0 failed + ALL TESTS PASSED。

3. 解耦门禁(check_net_decoupling)

这条规矩——「kernel/net/ 不许 include 驱动/DMA/arch-irq 头、NIC 适配器不许调 ::instance() singleton」——有脚本盯着:

cmake --build build --target check_net_decoupling 2>&1 | tail -5

应看到 [net-decouple] all invariants hold + Built target check_net_decoupling。它跑的是 scripts/check_net_decoupling.sh 里的 grep:kernel/net/ 一旦 #include 了 e1000/dma_buffer/irq 就 FAIL。想验它真能抓人,可以临时往 kernel/net/net_types.hpp 塞一行 #include "kernel/arch/x86_64/irq.hpp" 再跑——应报 DECOUPLING VIOLATED;删掉复绿(验完别忘了真删)。

4. 两条接缝(NetDevice / ProtocolHandler)

sed -n '34,65p' kernel/net/net_device.hpp

应看到 class NetDevice 的虚接口:mac()->bool、has_ethernet_header()、max_frame()、supports_zerocopy()、poll_rx(Packet&)、send_l3(next_hop, ethertype, l3, len)。注意 send_l3 收的是 L3 数据(IP 包),以太网头由设备自己决定补不补——这就是 loopback(不补)和 e1000(补)能走同一接口的原因。协议接缝 ProtocolHandler 按 ethertype 注册(0x0806=ARP、0x0800=IPv4),NetStack::add_protocol 挂上。

5. host 单测(协议层单元测试)

协议层有一组 host 单测(不进内核、不靠 QEMU,链 net_stack.cpp 在 host 上跑):

cmake --build build -j$(nproc) --target test_net_dispatch test_net_arp_cache test_net_checksum 2>&1 | grep -iE "Built target test_net|error" | head

应能编出 test_net_dispatch(派发命中 + L2 解析 + 回收合约)、test_net_arp_cache(ARP 缓存 insert/lookup/evict)、test_net_checksum(RFC1071 校验和向量)。这些是「栈是纯协议库、能在 host 单测」的证据——也是解耦的实惠。

验收清单

• [ ] test_ping_loopback PASS(栈逻辑在 loopback 上确定性证明对)。
• [ ] test_ping_e1000 PASS,有 e1000 ping 10.0.2.2: reply 输出(真 SLIRP 往返);949/0。
• [ ] check_net_decoupling 绿(all invariants hold),知道它是 grep 门禁、能抓驱动头泄漏。
• [ ] NetDevice(net_device.hpp:34)是设备接缝,send_l3 收 L3 数据、L2 头设备自决——loopback/e1000 同接口。
• [ ] 知道只有 ICMP(没 TCP/UDP/socket),ping 是内核 syscall 代办(不是用户态组包)。

别做这些

• 别跳过 loopback 直接在 e1000 上调栈——栈错了还是 SLIRP 时序错了会搅成一团。「底子优先」就是先把栈在 loopback 上证明对,再接硬件,失败才锁得死在适配器层。
• 别往 kernel/net/ 里 #include 驱动头(e1000/dma_buffer/irq)图省事——check_net_decoupling 会 FAIL。栈要碰硬件,走 NetDevice 接口,不直接抓驱动。
• 别以为有 TCP/UDP/socket 了——这一步只有 ICMP(ping)。Ipv4Module 现在把 proto==ICMP 硬交给 IcmpModule,没有通用 proto 分发表。socket API 是后面的事。
• 别指望用户态能自己 socket() 组包发 ping——ping 走专用 sys_ping syscall,内核代办 ARP+echo+等回复。用户态拿不到原始包。
• 别忘了 ARP 是异步的——resolve_l3 miss 时这一轮发不出包,得下轮 poll 收到 ARP reply 填缓存后再发。ping 循环跑两轮以上是正常的(先 ARP、再 echo),不是 bug。