昨天我們完成了 ICMP Echo Request 的接收與解析。
今天我們不再只是「被動解析封包」，而是讓我們的網路堆疊具備真正的雙向互動能力 ── 自動回應 Ping (ICMP Echo Reply)！

搭配在 Day 5 健全的 自動 ARP Reply 機制，我們的網路堆疊正式達成全自動雙向互動！

今日學習目標與成果

完成以下功能：

• [x] 建立 icmp_handle() 函式，辨識 Echo Request 並轉換為 Echo Reply
• [x] 保留 ICMP Identifier、Sequence 與 Payload 原封不動
• [x] 重新計算包含完整 Payload 的 ICMP Checksum
• [x] 在 Ethernet 層交換來源與目的 MAC 地址 (src_mac <-> dst_mac)
• [x] 在 IPv4 層交換來源與目的 IP 地址 (src_ip <-> dst_ip)，重設 TTL = 64 並重新計算 IPv4 Checksum
• [x] 透過 TAP 虛擬網卡檔案描述符呼叫 write(fd, reply, n) 將 Frame 發送回 Linux 核心
• [x] 與 ARP Reply 協同工作：免手動設定靜態 ARP 表，Host 執行 ping 10.0.0.2 全自動秒通！

核心概念與協定反轉機制

Ping 的回應流程涉及跨層級的「位址與型態對調」：

1. 各層反轉職責

2. 為什麼 Checksum 必須包含 Payload？

• Linux 標準 ping 預設會附帶 56 bytes 的隨機 Payload。
• ICMP 的校驗和演算法涵蓋整個 ICMP 訊息區段（ICMP Header 8 bytes + 後方所有的 Payload）。
• 計算時必須將 icmp->checksum 先歸零，再以實際 ICMP 長度進行 16-bit 一補數計算。

3. TAP 雙向架構與系統呼叫

• 接收 (RX)：read(fd, buffer, sizeof(buffer)) 從虛擬網卡讀取由 Host 端送進來的原始封包。
• 發送 (TX)：write(fd, reply, n) 透過標準 POSIX 系統呼叫將組裝好的完整 Frame 送回虛擬網卡，交由 Linux 核心接收處理。

今日新增與修改程式碼

1. include/icmp.h

#ifndef ICMP_H
#define ICMP_H

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

#define ICMP_ECHO_REPLY   0
#define ICMP_ECHO_REQUEST 8

struct icmp_hdr {
    uint8_t type;
    uint8_t code;
    uint16_t checksum;
    uint16_t identifier;
    uint16_t sequence;
} __attribute__((packed));

void icmp_print_header(const struct icmp_hdr *icmp, size_t length);
int icmp_verify_checksum(const void *icmp, size_t length);
void icmp_handle(uint8_t *icmp_payload, size_t icmp_len);

#endif

2. src/icmp.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

#include "icmp.h"
#include "checksum.h"

int icmp_verify_checksum(const void *icmp, size_t length)
{
    uint16_t calc_cksum = ipv4_checksum(icmp, length);
    return (calc_cksum == 0);
}

void icmp_print_header(const struct icmp_hdr *icmp, size_t length)
{
    int is_correct = icmp_verify_checksum(icmp, length);

    printf("\n");
    printf("ICMP Packet\n");
    printf("-------------------\n");
    printf("Type       : %u\n", icmp->type);
    printf("Code       : %u\n", icmp->code);
    printf("Checksum   : 0x%04x (%s)\n", ntohs(icmp->checksum), is_correct ? "OK" : "FAIL");
    printf("Identifier : %u\n", ntohs(icmp->identifier));
    printf("Sequence   : %u\n", ntohs(icmp->sequence));
    printf("\n");
}

void icmp_handle(uint8_t *packet, size_t length)
{
    if (length < sizeof(struct icmp_hdr))
        return;

    struct icmp_hdr *icmp = (struct icmp_hdr *)packet;

    // 只處理 Echo Request (Type = 8)
    if (icmp->type != ICMP_ECHO_REQUEST) {
        return;
    }

    printf("[ICMP] Echo Request received -> Generating Echo Reply\n");

    // 1. 修改 Type 為 Echo Reply (0)，Code 保持 0
    icmp->type = ICMP_ECHO_REPLY;

    // 2. 重新計算 ICMP Checksum (包含 Header + 所有 Payload)
    icmp->checksum = 0;
    icmp->checksum = ipv4_checksum(packet, length);
}

3. src/tap.c (主迴圈整合交換與回送)

                        case IPPROTO_ICMP:
                            if (payload_len >= sizeof(struct ipv4_hdr) + sizeof(struct icmp_hdr)) {
                                const struct icmp_hdr *icmp_in =
                                    (const struct icmp_hdr *)(payload + sizeof(struct ipv4_hdr));
                                size_t icmp_in_len = payload_len - sizeof(struct ipv4_hdr);

                                icmp_print_header(icmp_in, icmp_in_len);

                                // 如果是 Echo Request，建立並送出 Reply
                                if (icmp_in->type == ICMP_ECHO_REQUEST) {
                                    uint8_t reply[2048];
                                    memcpy(reply, buffer, n); // 複製收到的完整 Frame

                                    struct ethernet_hdr *eth_out = (struct ethernet_hdr *)reply;
                                    struct ipv4_hdr *ip_out = (struct ipv4_hdr *)(reply + ETH_HEADER_LEN);
                                    uint8_t *icmp_out = reply + ETH_HEADER_LEN + sizeof(struct ipv4_hdr);
                                    size_t icmp_len = n - (ETH_HEADER_LEN + sizeof(struct ipv4_hdr));

                                    // 1. 交換 Ethernet MAC
                                    uint8_t temp_mac[ETH_ADDR_LEN];
                                    memcpy(temp_mac, eth_out->dst, ETH_ADDR_LEN);
                                    memcpy(eth_out->dst, eth_out->src, ETH_ADDR_LEN);
                                    memcpy(eth_out->src, temp_mac, ETH_ADDR_LEN);

                                    // 2. 交換 IPv4 來源與目的 IP，並更新 TTL 與 Checksum
                                    uint32_t temp_ip = ip_out->dst_ip;
                                    ip_out->dst_ip = ip_out->src_ip;
                                    ip_out->src_ip = temp_ip;
                                    ip_out->ttl = 64;
                                    ip_out->checksum = 0;
                                    ip_out->checksum = ipv4_checksum(ip_out, sizeof(struct ipv4_hdr));

                                    // 3. 修改 ICMP 為 Echo Reply 並重算 ICMP Checksum
                                    icmp_handle(icmp_out, icmp_len);

                                    // 4. 送出 Reply Frame 回 tap 介面 (TX)
                                    ssize_t sent = write(fd, reply, n);
                                    if (sent < 0) {
                                        perror("[ICMP] write to tap failed");
                                    } else {
                                        printf("[ICMP] Echo Reply sent (%ld bytes)\n", sent);
                                    }
                                }
                            }
                            break;

編譯與測試驗證

1. 編譯網路堆疊

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

2. 啟動網路堆疊 (Terminal 1)

sudo ./network

3. 設定 Host 網路並發送 Ping (Terminal 2)

# 1. 為 Host 端的 tap0 指派 IP (若尚未指派)
sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev tap0 2>/dev/null || true

# 2. 直接發送真實 Ping 測試（網路堆疊會自動回應 ARP 與 ICMP Reply，免手動設定 ARP！）
ping -c 4 10.0.0.2

實測驗收結果 (Runtime Log)

Terminal 1 (./network) 輸出：

[ACCEPT]
Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : c6:bf:60:33:9d:73
EtherType   : 0x0806

[ARP] Request for 10.0.0.2 received -> Generating ARP Reply
[ARP] Reply sent (42 bytes)

[ACCEPT]
Ethernet Frame
-------------------------
Destination : 02:00:00:00:00:01
Source      : c6:bf:60:33:9d:73
EtherType   : 0x0800

IPv4 Packet
------------------
Version      : 4
Header Length: 20 bytes
TTL          : 64
Protocol     : 1
Checksum     : 0xfb02 (OK)
Source IP    : 10.0.0.1
Destination IP : 10.0.0.2

ICMP Packet
-------------------
Type       : 8
Code       : 0
Checksum   : 0x942d (OK)
Identifier : 15649
Sequence   : 1

[ICMP] Echo Request received -> Generating Echo Reply
[ICMP] Echo Reply sent (98 bytes)
Frame length: 98 bytes

Terminal 2 (ping) 輸出：

PING 10.0.0.2 (10.0.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.421 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.385 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.392 ms
64 bytes from 10.0.0.2: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.401 ms

--- 10.0.0.2 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3004ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.385/0.399/0.421/0.014 ms

🎉 我們親手打造的 Network Stack 第一次具備了與真實作業系統全自動、雙向通訊的完整能力！

目前網路堆疊完整架構

                    Network Stack Architecture

                             Ethernet (L2)
                                  │
                 ┌────────────────┴────────────────┐
                 │                                 │
                ARP (0x0806)                      IPv4 (0x0800)
                 │                                 │
           ARP Request / Reply               IPv4 Header Checksum
                 │                                 │
             ARP Table                            ICMP (Protocol = 1)
                                                   │
                                          ┌────────┴────────┐
                                          │                 │
                                     Echo Request      Echo Reply
                                      (Type = 8)       (Type = 0)

下一天：Day 10 預告

在 Day 9 我們扮演的是網路終端設備 (Endpoint)。
下一天我們將邁入 Router 的核心領域 ── TTL 機制與 ICMP Time Exceeded (Type = 11)！

當封包每經過一個路由器，TTL 就會減 1；當 TTL == 0 時，路由器必須丟棄封包並回傳 Time Exceeded。
這正是 traceroute 工具能探測網路路徑的關鍵原理。