harmony(鸿蒙)New IP内核协议栈介绍

  • 2022-10-28
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New IP内核协议栈介绍

基本概念

New IP在现有IP能力的基础上,以灵活轻量级报头和可变长多语义地址为基础,通过二三层协议融合,对协议去冗和压缩,减少冗余字节,实现高能效比,高净吞吐,提升通信效率。打造终端之间高效的横向通信,支撑超级终端的体验,实现异构网络的端到端互联。

目前WiFi协议报文,三层报头和地址开销使得报文开销大,传输效率较低。

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IPv4地址长度固定4字节,IPv6地址长度固定16字节。
IPv4网络层报头长度20~60字节,IPv6网络层报头长度40字节。

New IP支持可变长多语义地址(最短1字节)可变长定制化报头封装(最短5字节),通过精简报文头开销,提升数据传输效率。

New IP报头开销,相比IPv4节省25.9%,相比IPv6节省44.9%。

New IP载荷传输效率,相比IPv4提高最少1%,相比IPv6提高最少2.33%。

对比场景 报头开销 载荷传输效率(WiFi MTU=1500B,BT MTU=255B)
IPv4 for WiFi 30+8+20=58 B (1500-58)/1500=96.13%
IPv6 for WiFi 30+8+40=78 B (1500-78)/1500=94.8%
New IP for WiFi 30+8+5=43 B (1500-43)/1500=97.13%

可变长报头格式

New IP WiFi灵活极简报文头如下图所示,通过LLC Header中的EtherType = 0xEADD标识New IP报文。Bitmap是一组由0和1组成的二进制序列,每个二进制位的数值用于表示New IP报头中是否携带某个字段,即New IP报文头可以由用户根据业务场景自行定制报头中携带哪些字段。

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1) Dispatch:指示封装子类,数值0b0表示其为极简封装子类,长度为1比特;(0b表示后面数值为二进制)。

2) Bitmap:变长,Bitmap默认为紧跟在Dispatch有效位后面的7比特,Bitmap字段长度可持续扩展。Bitmap最后一位置0表示Bitmap结束,最后一位置1表示Bitmap向后扩展1 Byte,直至最后一位置0。 3) Value: 标识字段的值,长度为1 Byte的整数倍,类型及长度由报头字段语义表确定。

Bitmap字段定义如下:

极简Bitmap标识 Bitops 携带字段的长度 置位策略 备注
Bitmap 1st Byte: - - - 下面8bit是从高位到低位排列。
标记位Dispatch 0 - 置0 0:极简封装报头,1:非极简封装报头。
报文头是否携带TTL 1 1 Byte 置1 剩余跳数。
报文头是否携带Total Length 2 2 Byte UDP置0,TCP置1 New IP报文总长度(包含报头长度)。
报文头是否携带Next Header 3 1 Byte 置1 协议类型。
Reserve 4 保留 置0 保留字段。
报文头是否携带Dest Address 5 变长(1~8 Byte) 置1 目的地址。
报文头是否携带Source Address 6 变长(1~8 Byte) 由协议自行确定 源地址。
标记位,标志是否有2nd Byte 7 - - 0:bitmap结束,1:后跟另外8bit bitmap。
Bitmap 2nd Byte: - - - 下面8bit是从高位到低位排列。
报文头是否携带Header Length 0 1 Byte - New IP报头长度。
Reserve 1 保留 置0 -
Reserve 2 保留 置0 -
Reserve 3 保留 置0 -
Reserve 4 保留 置0 -
Reserve 5 保留 置0 -
Reserve 6 保留 置0 -
标记位,标志是否有3rd Byte 7 - - 0:bitmap结束,1:后跟另外8bit bitmap。

New IP报头(极简封装)解析遇到新bitmap字段时的处理方法:

仅解析当前版本协议中已定义的bitmap字段,从第一个未知语义的bitmap字段开始,跳过后面的所有bitmap字段,直接通过header length定位到报文开始位置并解析报文。如果报头中携带了未知语义的bitmap字段,且未携带header length字段,则丢弃该数据包。

可变长地址格式

New IP支持可变长地址(IPv4/IPv6地址长度固定),支持自解析地址长度,报文头中可以不携带地址长度字段,New IP地址编码格式如下所示:

First Byte Semantics 地址段有效范围
0x00 Address is 0 【1字节】0 ~ 220 (0x00 ~ 0xDC)
0x01 Address is 1 -
0x02 Address is 2 -
-
0xDC Address is 220 -
0xDD An 16-bit address, which is 0 + 256 * (0xDD - 0xDD) + the last byte value 【2字节】221 ~ 255 (0xDDDD ~ 0xDDFF)
0xDE An 16-bit address, which is 0 + 256 * (0xDE - 0xDD) + the last byte value 【2字节】256 ~ 511 (0xDE00 ~ 0xDEFF)
0xDF An 16-bit address, which is 0 + 256 * (0xDF - 0xDD) + the last byte value 【2字节】512 ~ 767 (0xDF00 ~ 0xDFFF)
-
0xF0 An 16-bit address, which is 0 + 256 * (0xF0 - 0xDD) + the last byte value 【2字节】4864 ~ 5119 (0xF000 ~ 0xF0FF)
0xF1 An 16-bit address is followed 【3字节】5120 ~ 65535 (0xF1 1400 ~ 0xF1 FFFF)
0xF2 An 32-bit address is followed 【5字节】65536 ~ 4,294,967,295 (0xF2 0001 0000 ~ 0xF2 FFFF FFFF)
0xF3 An 48-bit address is followed 【7字节】4,294,967,296 ~ 281,474,976,710,655 (0xF3 0001 0000 0000 ~ 0xF3 FFFF FFFF FFFF)
0xFE An 56-bit address is followed 【8字节】0 ~ 72,057,594,037,927,935 (0xFE00 0000 0000 0000 ~ 0xFEFF FFFF FFFF FFFF)

New IP配置指导

New IP使能

目前只有rk3568开发板Linux 5.10内核上支持New IP内核协议栈,在rk3568开发板内核模块配置文件中搜索NEWIP,将其修改成“CONFIG_XXX=y”即可,New IP相关CONFIG如下。

# kernel/linux/config/linux-5.10/arch/arm64/configs/rk3568_standard_defconfig
CONFIG_NEWIP=y          // 使能New IP内核协议栈
CONFIG_NEWIP_HOOKS=y    // 使能New IP内核侵入式修改插桩函数注册,使能New IP的同时必须使用New IP HOOKS功能
VENDOR_HOOKS=y          // 使能内核插桩基础框架(New IP依赖此配置项,rk3568开发板已默认开启)

代码编译完成后,通过下面命令可以确认New IP协议栈代码是否使能成功。

find out/ -name *nip*.o
...
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_addrconf_core.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_hdr_decap.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_addr.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/nip_checksum.o
out/kernel/OBJ/linux-5.10/net/newip/tcp_nip_output.o
...

备注:OpenHarmony linux内核要求所有原生内核代码侵入式修改,都要修改成插桩方式。例如下面IPv4,IPv6协议栈公共流程中增加New IP处理时,不能直接调用New IP函数,需要在公共流程中增加插桩点,New IP使能后在模块初始化时将xx功能函数注册到对应的函数指针上,下面公共流程就可以通过函数指针的形式调用到New IP的函数。

/* 将New IP ehash函数注册到内核 */
register_trace_ninet_ehashfn_hook(&ninet_ehashfn_hook, NULL);


/* 下面是IPv4,IPv6协议栈总入口函数,在总入口函数内新增New IP协议栈相关处理 */
static u32 sk_ehashfn(const struct sock *sk)
{
    /* IPv6 */
#if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
	if (sk->sk_family == AF_INET6 &&
	    !ipv6_addr_v4mapped(&sk->sk_v6_daddr))
		return inet6_ehashfn(sock_net(sk),
				     &sk->sk_v6_rcv_saddr, sk->sk_num,
				     &sk->sk_v6_daddr, sk->sk_dport);
#endif

#if IS_ENABLED(CONFIG_NEWIP_HOOKS)
	if (sk->sk_family == AF_NINET) {
		u32 ret = 0;

        /* New IP注册的ehash函数 */
		trace_ninet_ehashfn_hook(sock_net(sk), &sk->sk_nip_rcv_saddr, sk->sk_num,
					 &sk->sk_nip_daddr, sk->sk_dport, &ret);
		return ret;
	}
#endif

    /* IPv4 */
	return inet_ehashfn(sock_net(sk),
			    sk->sk_rcv_saddr, sk->sk_num,
			    sk->sk_daddr, sk->sk_dport);
}

New IP禁用

在rk3568开发板内核模块配置文件中搜索NEWIP,将其“CONFIG_NEWIP=y”和“CONFIG_NEWIP_HOOKS=y”删除或使用#注释掉即可。

# kernel/linux/config/linux-5.10/arch/arm64/configs/rk3568_standard_defconfig
# CONFIG_NEWIP is not set
# CONFIG_NEWIP_HOOKS is not set

New IP相关接口

用户态应用程序调用Socket API创建New IP socket,采用New IP极简封装进行收发包,New IP协议socket接口列表如下:

函数 输入 输出 返回值 接口具体描述
socket int domain, int type, int protocol NA Socket句柄sockfd 创建New IP 协议类型socket,并返回socket实例所对应的句柄。domain参数填写 AF_NINET,表示创建New IP协议类型socket。protocol参数填写IPPROTO_TCP或IPPROTO_UDP
bind int sockfd, const struct sockaddr_nin *myaddr, socklen_t addrlen NA int,返回错误码 将创建的socket绑定到指定的IP地址和端口上。myaddr->sin_family填写AF_NINET
listen int socket, int backlog NA int,返回错误码 服务端监听New IP地址和端口。
connect int sockfd, const struct sockaddr_nin *addr, aocklen_t addrlen NA int,返回错误码 客户端创建至服务端的连接。
accept int sockfd, struct sockaddr_nin *address, socklen_t *address_len NA 返回socket的fd 服务端返回已建链成功的socket。
send int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr_nin *dst_addr, int addrlen NA int,返回错误码 用于socket已连接的New IP类型数据发送。
recv int sockfd, size_t len, int flags, struct sockaddr_nin *src_addr, void *buf, int *fromlen int,返回错误码 用于socket已连接的New IP类型数据接收。
close int sockfd NA int,返回错误码 关闭socket,释放资源。
ioctl int sockfd, unsigned long cmd, … NA int,返回错误码 对New IP协议栈相关信息进行查询或更改。
sendto int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *dst_addr, int addrlen NA int,返回错误码 用于socket无连接的New IP类型数据发送。
recvfrom int sockfd, size_t len, int flags, void *buf, struct sockaddr *from, int *fromlen int,返回错误码 用于socket无连接的New IP类型数据接收。

New IP短地址结构如下:

enum nip_8bit_addr_index {
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_0 = 0,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_1 = 1,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_2 = 2,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_3 = 3,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_4 = 4,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_5 = 5,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_6 = 6,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_7 = 7,
	NIP_8BIT_ADDR_INDEX_MAX,
};

enum nip_16bit_addr_index {
	NIP_16BIT_ADDR_INDEX_0 = 0,
	NIP_16BIT_ADDR_INDEX_1 = 1,
	NIP_16BIT_ADDR_INDEX_2 = 2,
	NIP_16BIT_ADDR_INDEX_3 = 3,
	NIP_16BIT_ADDR_INDEX_MAX,
};

enum nip_32bit_addr_index {
	NIP_32BIT_ADDR_INDEX_0 = 0,
	NIP_32BIT_ADDR_INDEX_1 = 1,
	NIP_32BIT_ADDR_INDEX_MAX,
};

#define nip_addr_field8 v.u.field8
#define nip_addr_field16 v.u.field16
#define nip_addr_field32 v.u.field32

#pragma pack(1)
struct nip_addr_field {
	union {
		unsigned char   field8[NIP_8BIT_ADDR_INDEX_MAX];
		unsigned short field16[NIP_16BIT_ADDR_INDEX_MAX]; /* big-endian */
		unsigned int   field32[NIP_32BIT_ADDR_INDEX_MAX]; /* big-endian */
	} u;
};

struct nip_addr {
	unsigned char bitlen;	/* The address length is in bit (not byte) */
	struct nip_addr_field v;
};
#pragma pack()

/* The following structure must be larger than V4. System calls use V4.
 * If the definition is smaller than V4, the read process will have memory overruns
 * v4: include\linux\socket.h --> sockaddr (16Byte)
 */
#define POD_SOCKADDR_SIZE 3
struct sockaddr_nin {
	unsigned short sin_family; /* [2Byte] AF_NINET */
	unsigned short sin_port;   /* [2Byte] Transport layer port, big-endian */
	struct nip_addr sin_addr;  /* [9Byte] NIP address */

	unsigned char sin_zero[POD_SOCKADDR_SIZE]; /* [3Byte] Byte alignment */
};

New IP开发说明

目前只在OpenHarmony Linux-5.10内核支持New IP内核协议栈,只能在用户态人工配置New IP地址和路由到内核,两台设备通过路由器WiFi连接。如果想配置New IP地址和路由后自动切换到New IP内核协议栈通信,应用可以参考下面蓝框中描述。

zh-cn_image-20221009112548444

上图中New IP地址,路由配置程序可以参考代码仓examples代码,根据CPU硬件差异更改Makefile中CC定义编译成二级制文件后推送到开发板,参考上图命令给设备配置New IP地址和路由。

文件名 功能
nip_addr.c New IP可变长地址配置demo代码(可配置任意有效New IP地址)
nip_route.c New IP路由配置demo代码(可配置任意有效New IP地址)
check_nip_enable.c 获取本机New IP能力

设备1上查看New IP地址和路由:

# cat /proc/net/nip_addr
01          wlan0
# cat /proc/net/nip_route
02      ff09       1 wlan0        # 到设备2的路由
01      01      2149580801 wlan0  # 本机自发自收路由

设备2上查看New IP地址和路由:

# cat /proc/net/nip_addr
02          wlan0
# cat /proc/net/nip_route
01      ff09       1 wlan0        # 到设备1的路由
02      02      2149580801 wlan0  # 本机自发自收路由

New IP收发包代码示例

New IP可变长地址配置,路由配置,UDP/TCP收发包demo代码链接如下,New IP协议栈用户态接口使用方法可以参考代码仓examples代码。demo代码内配置固定地址和路由,执行编译后二进制程序时不需要人工指定地址和路由。

文件名 功能
nip_addr_cfg_demo.c New IP可变长地址配置demo代码
nip_route_cfg_demo.c New IP路由配置demo代码
nip_udp_server_demo.c New IP UDP收发包服务端demo代码
nip_udp_client_demo.c New IP UDP收发包客户端demo代码
nip_tcp_server_demo.c New IP TCP收发包服务端demo代码
nip_tcp_client_demo.c New IP TCP收发包客户端demo代码
nip_lib.c 接口索引获取等API接口demo代码

基础操作步骤:

zh-cn_image-20220915165414926

  1. 将demo代码拷贝到Linux编译机上,make clean,make all编译demo代码。

  2. 将编译生成二级制文件上传到设备1,设备2。

  3. 执行“ifconfig wlan0 up”开启网卡设备。

  4. 在设备1的shell下执行“./nip_addr_cfg_demo server”给服务端配置0xDE00(2字节)变长地址,在设备2的shell下执。行“./nip_addr_cfg_demo client”给客户端配置0x50(1字节)变长地址,通过“cat /proc/net/nip_addr”查看内核地址配置结果。

  5. 在设备1的shell下执行“./nip_route_cfg_demo server”给服务端配置路由,在设备2的shell下执行“./nip_route_cfg_demo client”给客户端配置路由,通过“cat /proc/net/nip_route”查看内核路由配置结果。

以上步骤操作完成后,可以进行UDP/TCP收发包,收发包demo默认使用上面步骤中配置的地址和路由。

UDP收发包操作步骤:

先在服务端执行“./nip_udp_server_demo”,然后再在客户端执行“./nip_udp_client_demo”,客户端会发送10个New IP报文,服务端收到报文后再发送给客户端。

服务端shell窗口打印内容:
Received -- 1661826989 498038 NIP_UDP #      0 -- from 0x50:57605
Sending  -- 1661826989 498038 NIP_UDP #      0 -- to 0x50:57605
Received -- 1661826990  14641 NIP_UDP #      1 -- from 0x50:57605
Sending  -- 1661826990  14641 NIP_UDP #      1 -- to 0x50:57605
Received -- 1661826990 518388 NIP_UDP #      2 -- from 0x50:57605
Sending  -- 1661826990 518388 NIP_UDP #      2 -- to 0x50:57605
...
Received -- 1661827011 590576 NIP_UDP #      9 -- from 0x50:37758
Sending  -- 1661827011 590576 NIP_UDP #      9 -- to 0x50:37758

客户端sh窗口打印内容:
Received --1661827007  55221 NIP_UDP #      0 sock 3 success:     1/     1/no=     0
Received --1661827007 557926 NIP_UDP #      1 sock 3 success:     2/     2/no=     1
Received --1661827008  62653 NIP_UDP #      2 sock 3 success:     3/     3/no=     2
...
Received --1661827011 590576 NIP_UDP #      9 sock 3 success:    10/    10/no=     9

TCP收发包操作步骤:

先在服务端执行“./nip_tcp_server_demo”,然后再在客户端执行“./nip_tcp_client_demo”,客户端会发送10个New IP报文,服务端收到报文后再发送给客户端。

服务端shell窗口打印内容:
Received -- 1661760202 560605 NIP_TCP #      0 --:1024
Sending  -- 1661760202 560605 NIP_TCP #      0 --:1024
Received -- 1661760203  69254 NIP_TCP #      1 --:1024
Sending  -- 1661760203  69254 NIP_TCP #      1 --:1024
Received -- 1661760203 571604 NIP_TCP #      2 --:1024
Sending  -- 1661760203 571604 NIP_TCP #      2 --:1024
...
Received -- 1661760207  86544 NIP_TCP #      9 --:1024
Sending  -- 1661760207  86544 NIP_TCP #      9 --:1024

客户端shell窗口打印内容:
Received --1661760202 560605 NIP_TCP #      0 sock 3 success:     1/     1/no=     0
Received --1661760203  69254 NIP_TCP #      1 sock 3 success:     2/     2/no=     1
...
Received --1661760207  86544 NIP_TCP #      9 sock 3 success:    10/    10/no=     9

selinux规则说明

用户态进程操作New IP socket需要添加selinux policy,否则操作会被拦截。

# base\security\selinux\sepolicy\ohos_policy\xxx\xxx.te
# socket 基础操作
# avc:  denied  { create } for  pid=540 comm="thread_xxx" scontext=u:r:thread_xxx:s0 tcontext=u:r:thread_xxx:s0 tclass=socket permissive=0
allow thread_xxx thread_xxx:socket { create bind connect listen accept read write shutdown setopt getopt };

# ioctl 操作
# 操作码在 linux-xxx\include\uapi\linux\sockios.h 中定义
# 0x8933 : name -> if_index mapping
# 0x8916 : set PA address
# 0x890B : add routing table entry
allowxperm thread_xxx thread_xxx:socket ioctl { 0x8933 0x8916 0x890B };

WireShark报文解析模板

Wireshark默认报文解析规则无法解析New IP报文,在WireShark配置中添加New IP报文解析模板可以实现New IP报文解析,New IP报文解析模板详见代码仓。

报文解析模板配置文件的方法:

依次单击 Help -> About Wireshark -> Folders,打开Global Configuration目录,编辑init.lua文件。在末尾添加dofile(DATA_DIR..”newip.lua”),其中DATA_DIR即为newip.lua报文解析模板所在路径。

zh-cn_image-20220930141628922

New IP报文解析模板添加样例:

New IP报文解析模板存放路径:
D:\tools\WireShark\wireshark_cfg_for_newip.lua

WireShark配置文件路径:
C:\Program Files\Wireshark\init.lua

在init.lua文件最后增加下面配置(window 11)
dofile("D:\\tools\\WireShark\\wireshark_cfg_for_newip.lua")

报文解析样例

ND请求

New IP邻居发现(Neighbor Discovery)请求报文格式如下,New IP极简报文头包含1字节的bitmap(0x76),bitmap标识后面携带TTL,报文总长度,上层协议类型,目的地址,源地址。New IP ND请求报文包含报文类型,操作码,校验和和请求地址。

备注:New IP支持变长地址(1字节~8字节),下图中1字节地址仅表示当前报文头中携带的地址是1字节。

zh-cn_image-20221011144901470

zh-cn_image-20221011143924648

ND应答

New IP邻居发现(Neighbor Discovery)应答报文格式如下,New IP极简报文头包含2字节的bitmap(0x77,0x00),bitmap1标识后面携带TTL,报文总长度,上层协议类型,目的地址,源地址。bitmap2是字节对齐不携带任何数据(rk3568开发板链路层数据发送要求数据长度是偶数字节)。New IP ND应答报文包含报文类型,操作码,校验和和邻居MAC地址长度,邻居MAC地址。

备注:New IP支持变长地址(1字节~8字节),下图中1字节地址仅表示当前报文头中携带的地址是1字节。

zh-cn_image-20221011145157288

zh-cn_image-20221011144751355

TCP握手

TCP三次握手SYN报文格式如下,New IP极简报文头包含2字节的bitmap(0x77,0x00),bitmap1标识后面携带TTL,报文总长度,上层协议类型,目的地址,源地址。bitmap2是字节对齐不携带任何数据(rk3568开发板链路层数据发送要求数据长度是偶数字节)。

备注:New IP支持变长地址(1字节~8字节),下图中1字节地址仅表示当前报文头中携带的地址是1字节。

image-20221011150018915

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TCP数据包

TCP数据格式如下,New IP极简报文头包含2字节的bitmap(0x77,0x00),bitmap1标识后面携带TTL,报文总长度,上层协议类型,目的地址,源地址。bitmap2是字节对齐不携带任何数据(rk3568开发板链路层数据发送要求数据长度是偶数字节)。

备注:New IP支持变长地址(1字节~8字节),下图中1字节地址仅表示当前报文头中携带的地址是1字节。

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