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Lab 003 · UDP 协议层验证 ​

对应 document/book/17-net/003/。验证档 A 档:这一章交付的是 UDP 协议层 + IPv4 L4 分派表的还债。可这一章还没 socket API(留下一章),所以「用户态 socket() 发 UDP」做不到——验证靠内核侧的 loopback round-trip + e1000 TX smoke + host 单测,辅以「ICMP 走新表 ping 仍通」这个还债的双保险。

目标 ​

确认六件事:

  1. L4 分派表真的还了债:IPv4 收包按 ip.proto 查表分派,ICMP 不再硬编码;
  2. ICMP 迁进表没回归:两条 ping 腿(loopback + e1000)还通;
  3. UDP 校验和是连续缓冲区法:拼 [伪首部|UDP 头|payload] 一把 internet_checksum,0 发 0xFFFF;
  4. 端口多路复用:UdpModule 端口表 + bind/unbind;
  5. loopback round-trip 确定性:单次 poll() 跑完 send→IPv4→L4 表→UdpModule→listener;
  6. e1000 UDP TX:真 e1000 上 UDP 包发出去(SLIRP 不回,TX-only)。

步骤 ​

1. host 单测:协议核心 ​

bash
./build/test/test_net_udp

应看到 9 passed, 0 failed。九个 case 罩的是 UDP 协议核心:UDP 头 round-trip、TX 线序(proto=17 + 端口 + 长度)、send→IPv4 表→handle→listener 完整 round-trip(用 no-L2 mock 把 send 捕获的 IP 包喂回,无 QEMU)、校验和损坏丢弃、checksum=0 接受、无 listener 丢弃、双端口 demux、unbind、重复 bind 拒。看一眼都测了啥:

bash
grep -nE "void test_" test/unit/test_net_udp.cpp | head

应看到九个测试函数名,跟上面九个 case 一一对应。

2. 还债:IPv4 的 L4 分派表 ​

bash
sed -n '99,128p' kernel/net/ipv4.hpp

应看到 class L4Handler(虚 handle)+ kIpProtoIcmp=1 / kIpProtoUdp=17 + add_l4(proto, handler) + 内部 l4_[] 小表。再看 ICMP 怎么进表的:

bash
sed -n '45,46p' kernel/net/ipv4.cpp

应看到构造函数里 add_l4(kIpProtoIcmp, icmp)——ICMP 自动注册进表(所以现有 Ipv4Module ipv4(icmp, &arp) 零改)。再看收包分派:

bash
sed -n '84,86p' kernel/net/ipv4.cpp

应看到查表 l4_[i].proto == ip.proto 命中就 handle——原来的 if (ip.proto == ICMP) 没了,那句 TODO 也一起删了。

3. ICMP 迁表不回归(还债双保险) ​

ICMP 从硬编码迁进表,最怕的就是把 ping 走窄。两条 ping 腿是双保险:

bash
cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "ping reply|ping_loopback|ping_e1000" | head

应看到 [net] loopback ping reply、[net] e1000 ping 10.0.2.2 reply——ICMP 走新表跟走老 if 一样,ping 还通。

4. UDP 校验和:连续缓冲区法 ​

bash
sed -n '90,130p' kernel/net/udp.cpp

应看到 send:HeapBuf buf(12 + sizeof(UdpHeader) + len) 拼一个连续区 [伪首部 12 | UDP 头 8 | payload],build_pseudo_header + build_udp_header(checksum=0 计算时),internet_checksum 一把算,cs == 0 改 0xFFFF(RFC 768),嵌进 UDP 头,最后 ipv4.send(... buf.p + 12 ...) 发 UDP 部分(跳过伪首部,伪首部不上线)。那个 HeapBuf 是堆缓冲——UDP 包能到 ~1.5 KB,放内核栈上会爆(栈才 16 KB)。

5. 端口多路复用 ​

bash
sed -n '64,103p' kernel/net/udp.cpp

应看到 bind(port, listener)(登记哪个端口归谁听,满了/重复拒)、unbind(清槽)。再看表和回调:

bash
sed -n '72,77p' kernel/net/udp.hpp

应看到 on_udp(ip, src_port, payload) 回调(payload 借用,handler 期间有效)+ kMaxUdpPorts = 16(协议层够用,socket 层落地后扩)。这套 bind/unbind + listener 就是将来 socket()/recvfrom() 的地基。

6. loopback round-trip(确定性证明) ​

bash
grep -n "test_udp_loopback" kernel/test/test_net.cpp

应命中测试注册。跑一下看它打什么:

bash
cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "loopback UDP" | head

应看到 [net] loopback UDP: 6 bytes from port 1234 (round-trip in one poll)——单次 poll() 跑完整往返(send → IPv4 → L4 表 → UdpModule → listener),listener 收到、源端口对、长度对、payload 对。这就是「底子优先」的确定性证明:loopback 无 SLIRP 时序,躲开 e1000 RX 那个坑。

7. e1000 UDP TX(真硬件,SLIRP 不回) ​

bash
grep -n "test_udp_e1000_tx" kernel/test/test_net.cpp
cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "udp_e1000|udp.*e1000" | head

应看到 test_udp_e1000_tx 注册并 PASS。这一步在真 e1000 + SLIRP 上发 UDP 到 10.0.2.2,握手照搬 ping 的(ARP miss→request→SLIRP reply→cache hit),断言 arp.lookup 成功 + udp.send 被 IPv4 接受。不指望 reply——SLIRP 没 UDP echo 服务,这是 TX-only smoke,证 UDP 蹭通 ping 已验的 e1000 L2/L3 TX 路径。

两腿汇总:

bash
cmake --build build --target run-kernel-test-all 2>&1 | grep -E "Tests: 9[0-9][0-9] passed" | tail -1

应看到单核 + -smp 2 两腿各 969 passed, 0 failed。

验收清单 ​

  • [ ] ./build/test/test_net_udp 报 9 passed(协议核心 host 单测)。
  • [ ] ipv4.hpp:99 L4Handler + add_l4;ipv4.cpp:45 ctor 注册 ICMP 进表;:84 on_frame 查表分派(硬编码 if 删了)。
  • [ ] ICMP 迁表 ping 不回归:loopback ping reply + e1000 ping 10.0.2.2 reply 仍在。
  • [ ] udp.cpp:90 send 用 HeapBuf 拼 [伪首部|UDP 头|payload],internet_checksum 一把算,0→0xFFFF,发 UDP 部分(伪首部不上线)。
  • [ ] udp.hpp:72 on_udp 回调 + kMaxUdpPorts=16;udp.cpp:64 bind/unbind。
  • [ ] [net] loopback UDP: 6 bytes ... round-trip in one poll 出现;test_udp_e1000_tx PASS;两腿 969/0。
  • [ ] 知道这章没 socket API(留下一章),UDP 验证靠内核测试接口 + host 单测,不是用户态 socket()。

别做这些 ​

  • 别指望用户态 socket(AF_INET, SOCK_DGRAM) 发 UDP——socket API(socket/bind/sendto/recvfrom)还没做,留下一章。这一章的 UDP 是内核协议层,listener 是内核侧注册的。
  • 别指望 e1000 那步收到 UDP reply——QEMU SLIRP 有 ICMP echo(所以 ping 收得回),但没 UDP echo,发出去的 UDP 不回。TX-only smoke 证的是「包能发出去」,不是「echo 往返」。真 UDP echo 要 socket API + 真对端。
  • 别以为 checksum=0 是校验和算错了——RFC 768 规定 0 是「发送方没算校验和」,接收方看到 0 跳过验证。发送方算出 0 要发 0xFFFF(因为 0 这个值被「无校验和」占了)。
  • 别把 16 个端口槽当限制——那是协议层测试够用的数,socket 层落地后会扩。也别以为端口表是 hash——它就是线性小表(16 项),协议层这点量级不值得上 hash。
  • 别以为 L4 表只有 4 项(kMaxL4)是 bug——IPv4 这一层能挂的协议本来就少(ICMP/UDP/TCP...),4 槽够当前。真不够再加,别 premature 优化。
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035_multi_terminal-43-g8c0c4bc · 8c0c4bc · 2026-07-25

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