ZeroTier 源码解析 (5) 交换机 (Switch)

在上一章 对等节点 (Peer) 中，我们学习了 ZeroTier 是如何通过 Peer 对象来管理与网络中其他每一个节点的"一对一"连接的。我们知道，Peer 对象就像一张详细的联系人名片，记录了如何找到并安全地与另一个节点通信。

但是，在一个由许多节点组成的虚拟网络 (Network)中，事情变得更加复杂。当你的电脑（一个节点 (Node)）发送一个数据包时，它可能想发给某个特定的 Peer，也可能想发给网络中的所有人（广播），或者发给一个物理上连接在远程 Peer 后面的设备（桥接）。同样，当一个加密的数据包从互联网上到达时，它可能是给你的，也可能只是路过，需要你帮忙转发给别人。

谁来扮演这个网络交通总指挥的角色，检查每一个数据包的"信封"，并决定它的下一站是哪里呢？

这就是 交换机 (Switch) 的职责所在。它是 ZeroTier 节点内部的核心数据调度中心。

什么是交换机 (Switch)？

Switch 对象是 ZeroTier 节点 (Node) 的数据处理中枢，其功能非常类似于现实世界中的物理网络交换机。你可以把它想象成一个高效的**"邮件分拣中心"**。

所有进出你节点的数据包，无论它们是什么类型，都会先被送到这个"分拣中心"进行处理：

• 来自本地的包裹 ：当你在电脑上运行的某个程序（比如浏览器或游戏）发送数据时，这些数据包就像是你写好地址准备寄出的包裹。Switch 会接收它们，查看收件人地址（目标 MAC 地址）。
  • 如果收件人是网络里的另一个 ZeroTier 成员，Switch 就把它打包成 ZeroTier 的加密格式，交给对应的 对等节点 (Peer) 对象去发送。
  • 如果收件人是"所有人"（广播），Switch 就会复印这份包裹，发给网络里所有相关的成员。
• 来自远方的包裹 ：当一个加密的数据包从互联网抵达时，它就像一个从远方寄来的国际包裹。Switch 会先负责"清关"和"拆包"（解密和验证）。
  • 如果包裹是给你的，Switch 就会把里面的内容（原始的以太网帧）取出来，交给你的操作系统。
  • 如果包裹只是需要你中继转发，Switch 就会把它交给正确的下一个 Peer，让它继续旅程。
  • 如果这是一个特殊的"控制信件"（例如，一个 WHOIS 请求，询问某个节点的身份信息），Switch 会直接处理这个请求，而不会把它当作普通数据。

简而言之，Switch 是所有数据流动的必经之路。它通过检查每个数据包的目的地，来智能地决定是应该将它转发给另一个 Peer，还是交给本地的虚拟网络，或是作为控制协议消息来处理。

Switch 的核心职责

Switch 类位于 node/Switch.hpp 和 node/Switch.cpp 中，它的主要职责可以分为两大类，对应两个核心的入口函数：

1. 处理本地发出的流量 (onLocalEthernet) : 当你的应用程序通过 ZeroTier 的虚拟网卡发送数据时，Switch 会被调用。它负责：

   • 分析目标 MAC 地址，判断是单播、多播还是广播。
   • 根据网络规则对数据包进行过滤。
   • 将以太网帧封装进 ZeroTier 的数据包 (Packet) 格式。
   • 将封装好的 Packet 交给正确的 Peer 或多播模块进行发送。

2. 处理远端收到的流量 (onRemotePacket) : 当从互联网上收到一个 ZeroTier 数据包时，Switch 会被调用。它负责：

   • （在 Packet 对象内部的帮助下）解密和验证数据包。
   • 检查数据包的类型（verb），判断是普通数据帧还是控制消息。
   • 如果是数据帧，就解开封装，取出以太网帧，并注入到本地操作系统的虚拟网卡。
   • 如果是需要中继的数据包，就将其转发给目标 Peer。
   • 如果是控制消息，就直接处理它。

Switch 的工作流程

让我们通过两个最常见的场景，来看看 Switch 是如何工作的。

场景一：发送数据（从本地到远端）

假设你的电脑（10.0.0.1）想要 ping 同一个 ZeroTier 网络里的服务器（10.0.0.2）。

sequenceDiagram participant App as 你的应用程序(ping) participant Node as 你的节点 participant Switch as Switch 对象 participant ServerPeer as 服务器的 Peer 对象 participant Internet as 物理互联网 App->>Node: 发送以太网帧 (目标: 10.0.0.2 的 MAC 地址) Node->>Switch: 调用 onLocalEthernet(以太网帧) Switch->>Switch: 分析目标 MAC，确定目标 ZT 地址 Switch->>Switch: 封装成 VERB_FRAME 数据包 Switch->>ServerPeer: 找到服务器的 Peer 对象，请求发送 ServerPeer->>Internet: 加密并通过最优路径发送数据包

1. 数据产生 : ping 命令生成一个 ICMP 数据包，操作系统将其封装成一个以太网帧，目标 MAC 地址是服务器 10.0.0.2 对应的虚拟 MAC 地址。
2. 进入交换机 : 节点 (Node) 捕获这个帧，并立即调用 Switch 的 onLocalEthernet() 方法。
3. 决策与封装 : Switch 查看目标 MAC 地址。ZeroTier 的虚拟 MAC 地址是根据节点的 ZeroTier 地址和网络 ID 生成的，所以 Switch 可以从中反解出目标的 ZeroTier 地址（比如 a1b2c3d4e5）。
4. 它创建一个新的 ZeroTier 数据包 (Packet)，将 verb（类型）设置为 VERB_FRAME，然后把原始的以太网帧作为"货物"装进去。
5. 转发 : Switch 在节点的拓扑 (Topology)管理器中查找目标地址 a1b2c3d4e5 对应的 对等节点 (Peer) 对象。
6. 找到后，Switch 调用 send() 方法，最终将这个任务委托给 Peer 对象，由它负责加密并通过最佳物理路径 (Path)发送出去。

深入代码：onLocalEthernet

onLocalEthernet 的逻辑核心是一个 if-else 结构，用来判断数据包的目的地类型。下面是它极度简化的逻辑：

// 文件: node/Switch.cpp

void Switch::onLocalEthernet(
    void *tPtr,
    const SharedPtr<Network> &network,
    const MAC &from,
    const MAC &to, // 目标 MAC 地址
    // ... 其他参数
) {
    if (to.isMulticast()) {
        // 1. 如果是多播或广播地址
        //    将其发送到多播组
        RR->mc->send(...);
    } else if (to[0] == MAC::firstOctetForNetwork(network->id())) {
        // 2. 如果是网络内另一个 ZeroTier 节点的 MAC 地址
        Address toZT(to.toAddress(network->id())); // 从 MAC 反解出 ZT 地址

        // 封装成 VERB_FRAME 数据包
        Packet outp(toZT, RR->identity.address(), Packet::VERB_FRAME);
        outp.append(network->id());
        outp.append(...); // 添加以太网帧内容

        // 将数据包放入发送队列
        send(tPtr, outp, true, ...);
    } else {
        // 3. 如果是其他 MAC 地址 (例如，桥接设备)
        //    查找哪个 Peer 桥接了这个 MAC，然后发给他
        // ... 桥接逻辑 ...
    }
}

这段代码清晰地展示了 Switch 的分拣逻辑：

1. 检查是否是广播/多播地址。
2. 检查是否是本 ZeroTier 网络内的另一个成员。to[0] == MAC::firstOctetForNetwork(...) 是一个巧妙的优化，因为 ZeroTier 为每个网络内的 MAC 地址分配了特定的第一个字节，可以快速判断。
3. 如果都不是，就假定它是一个通过桥接模式连接到网络中的外部设备，并尝试找到负责这个设备的"网桥"节点。

场景二：接收数据（从远端到本地）

现在，服务器 10.0.0.2 收到了 ping 请求，并发送了一个回复。这个回复的数据包会加密后通过互联网传回你的电脑。

graph TD A[加密的数据包从互联网到达] --> B{Switch::onRemotePacket}; B --> C{解密并检查 Packet 类型}; C -- VERB_FRAME (数据帧) --> D{解开封装，取出以太网帧}; D --> E{目标 MAC 是我吗?}; E -- 是 --> F[注入本地虚拟网卡，App 收到回复]; E -- 否 (中继) --> G[转发给正确的 Peer]; C -- VERB_WHOIS (控制消息) --> H[直接处理请求，例如回复身份信息];

这个流程图展示了 Switch 处理入站数据包的决策过程：

1. 接收与解密 : onRemotePacket 方法被调用。它会（借助 Packet 类）使用与发送方 Peer 共享的密钥来解密数据包并验证其完整性。
2. 分类 : Switch 检查包的 verb。
3. 处理数据帧 : 如果是 VERB_FRAME，Switch 会解开封装，取出里面的以太网帧。然后，它会把这个帧通过回调函数 RR->node->putFrame() 交给操作系统，就像有一个真实的网卡收到了数据一样。你的 ping 程序最终会收到这个回复。
4. 处理中继 : 如果 Packet 的最终目的地不是当前节点，Switch 会查找真正的目的地 Peer，并将数据包转发过去。
5. 处理控制消息 : 如果是 VERB_WHOIS、VERB_HELLO 等控制消息，Switch 会直接在内部处理它们，例如更新 Peer 的状态或回复一个 OK 消息。

深入代码：onRemotePacket

onRemotePacket 的代码比较复杂，因为它要处理数据包的分片重组、中继逻辑等。但其核心思想可以简化如下：

// 文件: node/Switch.cpp (概念性简化)

void Switch::onRemotePacket(..., const void *data, unsigned int len) {
    // ... 此处省略了大量的分片重组和错误检查 ...

    // 假设我们已经收到了一个完整的、未分片的 Packet
    const Address destination( ... 从 data 中解析出目标地址 ... );
    const Address source( ... 从 data 中解析出源地址 ... );

    if (destination != RR->identity.address()) {
        // 1. 如果包不是给我的，执行中继逻辑
        Packet packet(data, len);
        if (packet.hops() < ZT_RELAY_MAX_HOPS) { // 防止无限转发
            packet.incrementHops();
            SharedPtr<Peer> relayTo = RR->topology->getPeer(tPtr, destination);
            if (relayTo) {
                relayTo->sendDirect(tPtr, packet.data(), ...); // 转发给下一个 Peer
            }
        }
    } else {
        // 2. 如果包是给我的
        IncomingPacket packet(data, len, path, now);
        // tryDecode 会解密并根据 verb 执行相应操作
        // 如果是 VERB_FRAME，它会调用 Node::putFrame 将数据注入本地
        if (!packet.tryDecode(RR, tPtr, ...)) {
            // 解码/处理失败或需要等待（例如，等待 WHOIS 回复）
            // 将其放入接收队列，稍后重试
        }
    }
}

这段代码展示了 Switch 的两个关键角色：

1. 中继站: 当数据包的目的地不是自己时，它会扮演一个路由器或中继站的角色，将数据包转发到正确的下一跳。
2. 终点站 : 当数据包是发给自己的，它会调用 tryDecode() 进行最终处理。tryDecode() 是一个大型的 switch 语句，根据不同的 verb 执行不同的动作，比如将数据帧交给操作系统，或者更新网络配置等。

总结

在本章中，我们认识了 ZeroTier 节点内部的"网络交通总指挥"------交换机 (Switch)。

• Switch 就像一个邮件分拣中心，负责处理所有进出节点的数据包 (Packet)。
• 它有两个主要入口：onLocalEthernet 用于处理从本地发出 的数据，onRemotePacket 用于处理从远端收到的数据。
• 通过检查数据包的目的地和类型，Switch 智能地决定是注入本地 、转发给对等节点 ，还是作为控制消息直接处理。
• Switch 是连接虚拟世界（ZeroTier 网络）和物理世界（你电脑上的应用和互联网）的关键桥梁，确保了数据在正确的时间被送到正确的地点。

我们已经多次提到了 Switch 处理的核心对象------Packet。这个 Packet 到底是什么样的结构？它如何携带我们的数据，又如何包含各种控制信息呢？