昨天我們完成了 Layer 2 的 ARP Reply 解析 與 ARP Table 快取機制。

從今天開始，我們將正式跨越資料鏈結層（Data Link Layer），進入 OSI Layer 3：Network Layer。

第一個要面對的協定，就是整個 Internet 的核心：

IPv4
(Internet Protocol Version 4)

在前幾天的課程中，我們已經能夠：

Ethernet Frame
      ↓
EtherType
      ↓
ARP

而今天開始，我們要讓 Ethernet Dispatcher 能夠辨識：

EtherType = 0x0800

並將封包交給 IPv4 模組進行解析。

在進入程式碼之前，可以先用這張圖建立 Day06 的整體視角：Ethernet Layer 會先根據 EtherType 判斷 Payload 內容，當值為 0x0800 時，就代表接下來要解析的是 IPv4 Header。

這張圖也標出了今天會優先解析的欄位：Version、IHL、TTL、Protocol，以及 Source / Destination IP。這些欄位會幫助我們確認封包是否真的是 IPv4、它還能經過幾個路由節點，以及下一層應該交給哪個協定處理。

今日學習目標

完成以下內容：

• [x] 建立 include/ipv4.h
• [x] 定義 struct ipv4_hdr
• [x] 驗證 sizeof(struct ipv4_hdr) == 20
• [x] 解析 IPv4 Version
• [x] 解析 IPv4 Header Length（IHL）
• [x] 解析 TTL
• [x] 解析 Protocol
• [x] 解析 Source IP
• [x] 解析 Destination IP
• [x] 建立 Ethernet → IPv4 Dispatcher
• [x] 成功顯示 IPv4 Header 資訊

1. IPv4 在網路堆疊中的位置

目前我們的網路堆疊已經成長為：

Application
      ↑
IPv4
      ↑
Ethernet
      ↑
TAP Device

當 Linux 核心收到 Ethernet Frame 時：

Ethernet Frame
      ↓
EtherType
      ↓
0x0800 ?
      ↓
IPv4 Layer

只要 EtherType 為：

0x0800

就代表 Ethernet Payload 裡面裝的是：

IPv4 Packet

2. IPv4 Packet 結構

IPv4 Header 的最小長度為：

20 Bytes

結構如下：

┌─────────────────────────────┐
│ Version + IHL (1)           │
├─────────────────────────────┤
│ Type of Service (1)         │
├─────────────────────────────┤
│ Total Length (2)            │
├─────────────────────────────┤
│ Identification (2)          │
├─────────────────────────────┤
│ Flags + Fragment (2)        │
├─────────────────────────────┤
│ TTL (1)                     │
├─────────────────────────────┤
│ Protocol (1)                │
├─────────────────────────────┤
│ Header Checksum (2)         │
├─────────────────────────────┤
│ Source IP (4)               │
├─────────────────────────────┤
│ Destination IP (4)          │
└─────────────────────────────┘

2.1 今天重點解析哪些欄位？

今天先聚焦在最重要的五個欄位：

Version

IPv4 固定為：

4

IPv6 則為：

6

在 Header 中：

uint8_t version_ihl;

高 4 Bits 存放 Version。

因此：

version = ip->version_ihl >> 4;

IHL（Internet Header Length）

低 4 Bits 代表 Header 長度。

取得方式：

ihl = ip->version_ihl & 0x0F;

單位不是 Byte，而是：

4 Bytes

因此：

ihl * 4

才是真正 Header 長度。

例如：

0x45

拆開後：

0100 0101

Version = 4
IHL     = 5

因此：

Header Length

5 × 4

=

20 Bytes

TTL（Time To Live）

TTL 用來避免封包在網路中無限循環。

每經過一台 Router：

TTL - 1

當 TTL 變成：

0

封包會被丟棄。

常見數值：

Protocol

IPv4 Header 中的：

uint8_t protocol;

代表上層協定類型。

常見值：

因此：

Ethernet
    ↓
IPv4
    ↓
Protocol = 1
    ↓
ICMP

3. 記憶體中的封包結構

今天的測試程式會建立一個：

34 Bytes

的 Ethernet Frame。

組成如下：

14 Bytes Ethernet Header
+
20 Bytes IPv4 Header
=
34 Bytes

記憶體配置

┌────────────────────────────────────┐
│ Ethernet Header (14 Bytes)         │
├────────────────────────────────────┤
│ Destination MAC                    │
│ Source MAC                         │
│ EtherType = 0x0800                 │
├────────────────────────────────────┤
│ IPv4 Header (20 Bytes)             │
├────────────────────────────────────┤
│ Version / IHL                      │
│ TTL                                │
│ Protocol                           │
│ Source IP                          │
│ Destination IP                     │
└────────────────────────────────────┘

因此：

struct ethernet_hdr *eth =
    (struct ethernet_hdr *)frame;

struct ipv4_hdr *ip =
    (struct ipv4_hdr *)(frame + ETH_HEADER_LEN);

即可直接定位到 IPv4 Header。

4. 建立 IPv4 Header

檔案：

include/ipv4.h

完整結構定義

struct ipv4_hdr {

    uint8_t  version_ihl;
    uint8_t  tos;

    uint16_t total_length;
    uint16_t identification;
    uint16_t flags_fragment;

    uint8_t  ttl;
    uint8_t  protocol;

    uint16_t checksum;

    uint32_t src_ip;
    uint32_t dst_ip;

} __attribute__((packed));

驗證大小

printf("%lu\n",
       sizeof(struct ipv4_hdr));

輸出：

20

表示 Header 定義正確。

5. 實作 IPv4 Header Parser

檔案：

src/ipv4.c

解析 Version

uint8_t version =
    ip->version_ihl >> 4;

解析 IHL

uint8_t ihl =
    ip->version_ihl & 0x0F;

解析 Source IP

因為 IPv4 位址以 Network Byte Order 儲存：

ip = ntohl(ip);

之後再拆成：

A.B.C.D

格式輸出。

顯示結果

IPv4 Packet
------------------
Version       : 4
Header Length : 20 bytes
TTL           : 64
Protocol      : 1
Source IP     : 10.0.0.1
Destination IP: 10.0.0.2

6. 更新 Ethernet Dispatcher

檔案：

src/tap.c

新增：

case ETHERTYPE_IPV4:

分流邏輯。

Dispatcher 架構

Ethernet Frame
       │
       ▼
 EtherType
       │
 ┌─────┴─────┐
 │           │
 ▼           ▼
ARP         IPv4

程式：

switch (ntohs(eth->ethertype)) {

    case ETHERTYPE_ARP:
        arp_receive(
            payload,
            payload_len
        );
        break;

    case ETHERTYPE_IPV4:

        if (payload_len >=
            sizeof(struct ipv4_hdr)) {

            const struct ipv4_hdr *ip =
                (const struct ipv4_hdr *)payload;

            ipv4_print_header(ip);
        }

        break;
}

7. 建立 IPv4 測試封包

檔案：

tests/send_ipv4.c

今天我們第一次手動建立：

IPv4 Header

並送往：

tap0

封包內容

來源：

10.0.0.1

目的：

10.0.0.2

協定：

ICMP

因此：

ip->protocol = IPPROTO_ICMP;

Version 與 IHL

ip->version_ihl = 0x45;

代表：

Version = 4
IHL     = 5

5 × 4 = 20 bytes

8. 編譯與執行

接收端

gcc \
-Iinclude \
src/tap.c \
src/ethernet.c \
src/arp.c \
src/arp_table.c \
src/ipv4.c \
-o network

sudo ./network

發送端

gcc \
-Iinclude \
tests/send_ipv4.c \
src/ethernet.c \
src/arp.c \
src/arp_table.c \
src/ipv4.c \
-o send_ipv4

sudo ./send_ipv4

9. 實測結果

接收端輸出：

[ACCEPT]

Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : 52:54:00:12:34:56
EtherType   : 0x0800

IPv4 Packet
------------------
Version       : 4
Header Length : 20 bytes
TTL           : 64
Protocol      : 1
Source IP     : 10.0.0.1
Destination IP: 10.0.0.2

Frame length: 34 bytes

10. 常見問題（Q&A）

Q1：為什麼 EtherType 是 0x0800？

Ethernet Header 中的：

EtherType

用來告訴接收端 Payload 的格式。

常見值：

因此：

0x0800

代表：

接下來的資料是一個 IPv4 Packet。

Q2：為什麼 Version 與 IHL 共用一個 Byte？

IPv4 Header 為了節省空間：

4 Bits
+
4 Bits
=
1 Byte

因此：

Version = 高 4 Bits
IHL     = 低 4 Bits

Q3：Protocol = 1 代表什麼？

代表：

ICMP

也就是：

Ping
Traceroute
Destination Unreachable
Time Exceeded

等網路控制訊息所使用的協定。

今日總結

今天我們正式踏入：

OSI Layer 3

並成功完成：

Ethernet
      ↓
IPv4

的協定分流與解析。

目前的網路堆疊已經成長為：

TAP Device
      ↑
Ethernet
      ├── ARP
      │     └── ARP Table
      │
      └── IPv4
            └── Header Parser   ← 今天完成

換句話說，Ethernet 會透過 EtherType 分流：

EtherType 0x0806 → ARP
EtherType 0x0800 → IPv4

我們已經能夠：

• 辨識 IPv4 EtherType
• 解析 IPv4 Header
• 顯示 Source / Destination IP
• 解析 TTL
• 解析 Protocol
• 建立 Layer 2 → Layer 3 Dispatcher

這代表我們終於能夠看懂 Internet 世界中的 IP 封包了。

下一堂課預告（Day 07）

明天我們會補上 IPv4 Header Checksum，讓自製網路堆疊能夠驗證 IPv4 Header 是否在傳輸過程中被修改。

我們將實作：

ipv4_checksum()
IPv4 Header Checksum Verification

這是進入 ICMP / Ping Reply 前的重要準備。