自分で作るTCP/IPスタック入門！第1回：EthernetとARPの基礎を徹底解説

昔、Cでユーザースペースのネットワークスタックを作ろうとしたんだけど、TUNインターフェースを通して生のパケットを処理するところまではできた。IPアドレスやルートの設定ができるシェルもあって、mbufとsk_bufを参考にした構造体でネットワークパケットを保持してる。UDPの実装までは進んだけど、TCPの実装はやる気がなくて。興味があったらこちらからどうぞ：
https://github.com/cakturk/unet

昔、純粋なbashでpcap/tcpdumpのパーサーを書いたことがあるんだ。プログラムを書くのがそれしかできなかったからね。もちろん、超遅くて脆弱なものだったけど、実際に動いたし、ちょっと楽しかった。今でもそのコードがあったらいいなぁ。

多くの組み込みデバイスはlwipのTCP/IP実装を使ってる。lwipの’POSIX port’も同じことをしていて、TUN/TAPデバイスから生のEthernetバイトを受け取るんだ。
https://github.com/lwip-tcpip/lwip/blob/master/contrib/ports…

最小のLinuxカーネルをTCP/IPスタックなしでコンパイルすると約400KB。TCP/IPスタックを追加すると800KBになる。温度を送信するプロジェクトのために、ユーザースペースの小さなCプログラムでUDPメッセージに値を送ったら、スペースと複雑さが減ったよ。

そりゃすごい！何も知らない私からすると、それってTCP/IPの部分がカーネル全体の半分のソースコードってことじゃないよね？

Linuxカーネルのソースコードの大半はデバイスドライバーだよ。ほとんどはデフォルトでカーネルイメージに含まれてないけど、必要に応じてカーネルモジュールとして使えるんだ。たとえば、サーモスタットはわざわざ珍しいゲームコントローラーのドライバーは必要ないから、そんなのは入ってないけど、必要なら追加できる。

IPスタックってなんでそんなに大きいの？400KBのバイナリってかなりのコード量だよ。大規模サーバー用に最適化されてるの？

現代のTCP/IPスタックには、アンチスプーフィングやパフォーマンス向上（ハードウェアネットワークカードとのゼロコピー統合など）、攻撃防止策（SYNフラッドやシーケンス番号のランダム化など）、さまざまなハードウェアオフロード（チェックサムオフロードなどを行うネットワークカードも含む）、IPv6（もともとIPSecの統合も要求されていた）や低レイヤー2プロトコルのサポートが含まれているよ。

ARPを無効にすると、同じネットワークに同じIPを持つサーバーをグループ化できる！もし、ルーティングフロントエンドがMACアドレスでバックエンドサーバーのネットワークインターフェースにパケットを転送できるなら、バックエンドサーバーは自分自身を宛先として認識して、IPを入れ替えてクライアントに直接返事するんだ（ルーティングフロントエンドには戻らない）。同じことは、ARPを無効にすることなく、ループバックインターフェースに共通IPアドレスをエイリアスとして追加することで実現できる。このトリックは90年代から00年代にかけてIBMのWebSphereソフトウェアロードバランサーで使われてた。

＞このトリックは90年代から00年代にかけてIBMのWebSphereソフトウェアロードバランサーで使われてた。”Cisco IOS SLB”も似たように動作することができるよ。各サーバーにループバックのエイリアスとして追加された仮想IPを使うんだ。一般的なL3バランシングに比べて、IPパケットのヘッダーを再構成する必要が無いという利点がある。

DSR（Direct Server Return）って呼ばれてるよ。詳しいことはブログ見てみて。

ARPを無効にすれば同じIPのサーバーをグループで使えるけど、スイッチはMACアドレスを学習しないからパケットが全ポートにバンバン流れちゃうんだ。ちゃんとしたVLAN作った方がいいよ！

ARPはLANデバイスのためのもので、L2スイッチはARPを使わずに送信元MACで転送テーブルを作れるんだよ。行き先MACが分からない時はブロードキャストするけど、全デバイスが1回はフレームを送ると止まる。

F5にはARPプロキシ設定があって、それ使えば手間が省けるけど、DHCPが壊れることがあるから注意してね。

低レベルのことをやるならdpdkをいじるのもアリだよ。ARPはデフォルトで無効になってるし。

Pythonで似たようなことをやったよ。多分、あんまりうまく書けてないけど。ICMPでインターネットホストにpingも飛ばせた。自分のはノートに収まってるから、全体を把握しやすいかな。でも、TCPのとこは難しすぎて興味が薄れた。プログラミングに興味あるならやってみると面白いよ！

昔、原発でクライアントサイドの開発をしてた時、TCP/IPの経験で雇われたんだ。でも、そのプラントのコンピュータにはTCP/IPスタックがなかったから、作らなきゃいけなかった。

記事の最初で、「dmacとsmacは自己説明的なフィールド」って書いてあるけど、これで分からない人は読む気失うよね。

完全な引用は「dmacとsmacは自己説明的なフィールドで、通信する当事者のMACアドレスを含んでいる」って感じ。記事はネットワークスタックを作る内容だから、ちょっとは知識がある人が読むべきかな。

多分、更新されたんだと思うけど、次の文ではちゃんと説明があったよ。「通信する当事者のMACアドレスを含んでいる」って書いてある。