协议格式

Bertha 。 2022-08-20 06:30 139阅读 0赞

## 数据包封装 ##

传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供，应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。  
应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示

![这里写图片描述][20160211235732210]

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）。  
数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

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## 以太网帧格式 ##

下图为以太网帧格式

![这里写图片描述][20160211235803680]

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。  
用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。  
协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。  
帧末尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。  
最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）。  
ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧首部的长度。

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## ARP数据报格式 ##

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机 的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。  
因此在通讯前必须**获得目的主机的硬件地址**。  
ARP协议就起到这个作用。  
源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。  
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。  
缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

ARP数据报的格式如下所示  
![这里写图片描述][20160211235855908]

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。  
硬件类型指链路层网络类型，1为以太网。  
协议类型指要转换的地址类型，**0x0800指IP地址类型**。  
后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节）。  
**op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答**。

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下面举一个具体的例子。  
**请求帧**  
请求帧如下（为了清晰在每行的前面加了字节计数，每行16个字节）：

以太网首部（14字节）
    0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06
    ARP帧（28字节）
    0000: 00 01
    0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
    0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 02
    填充位（18字节）
    0020: 00 77 31 d2 50 10
    0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太网首部：目的主机采用广播地址，源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC地址）长度为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址，源主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8，源主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主机MAC地址全0待填写，目的主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2）。

由于以太网规定最小数据长度为46字节，ARP帧长度只有28字节，因此有18字节填充位，填充位的内容没有定义，与具体实现相关。

**应答帧**  
应答帧如下：

以太网首部
    0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06
    ARP帧
    0000: 00 01
    0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02
    0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
    填充位
    0020: 00 77 31 d2 50 10
    0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太网首部：目的主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主机的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40，  
上层协议类型0x0806表示ARP。  
ARP帧：硬件类型0x0001表示以太网，协议类型0x0800表示IP协议，硬件地址（MAC 地址）长度为6，协议地址（IP地址）长度为4，op为0x0002表示应答，源主机MAC地址为00:05:5d:a1:b8:40，源主机IP地址为c0 a8 00 02（192.168.0.2），目的主机MAC地址为 00:05:5d:61:58:a8，目的主机IP地址为c0 a8 00 37（192.168.0.55）。

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## IP段格式 ##

IP数据报格式如下：

![这里写图片描述][20160212000116356]

IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的，但总是4字节的整数倍。  
对于IPv4，4 位版本字段是4。  
4位首部长度的数值是以4字节为单位的，最小值为5，也就是说首部长度最小是4x5=20字节，也就是不带任何选项的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是说首部长度最大是60字节。  
8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级（目前已经废弃不用），还有4个位表示可选的服务类型（最小延迟、最大吞吐量、最大可靠性、最小成本），还有一个位总是0。  
总长度是整个数据报（包括IP首部和IP层payload）的字节数。  
每传一个IP数据报，16位的标识加1，可用于分片和重新组装数据报。  
3位标志和13位片偏移用于分片。  
TTL（Time to live)是这样用的：源主机为数据包设定一个生存时间，比如64，每过一个路由器就把该值减1，如果减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络，就丢弃该包，因此这个生存时间的单位不是秒，而是跳（hop）。  
协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。  
然后是校验和，只校验IP首部，数据的校验由更高层协议负责。  
IPv4的IP地址长度为32位。

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## UDP数据报格式 ##

UDP数据报格式如图所示

![这里写图片描述][20160212000143138]

以太网首部
    0000: 00 05 5d 67 d0 b1 00 05 5d 61 58 a8 08 00
    IP首部
    0000: 45 00
    0010: 00 53 93 25 00 00 80 11 25 ec c0 a8 00 37 c0 a8
    0020: 00 01
    UDP首部
    0020： 05 d4 00 45 00 3f ac 40
    TFTP协议
    0020:                               00 01 'c'':''\''q'
    0030: 'w''e''r''q''.''q''w''e'00 'n''e''t''a''s''c''i'
    0040: 'i'00 'b''l''k''s''i''z''e'00 '5''1''2'00 't''i'
    0050: 'm''e''o''u''t'00 '1''0'00 't''s''i''z''e'00 '0'
    0060: 00

以太网首部：源MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，目的MAC地址是00:05:5d:67:d0:b1，上 层协议类型0x0800表示IP。  
IP首部：每一个字节0x45包含4位版本号和4位首部长度，版本号为4，即IPv4，首部长 度为5，说明IP首部不带有选项字段。  
服务类型为0，没有使用服务。  
16位总长度字段（包括IP首部和IP层payload的长度）为0x0053，即83字节，加上以太网首部14字节可知整个帧长度是97字节。  
IP报标识是0x9325，标志字段和片偏移字段设置为0x0000，就是DF=0允许分片，MF=0此数据报没有更多分片，没有分片偏移。  
TTL是0x80，也就是128。  
上层协议**0x11表示UDP协议**。  
IP首部校验和为0x25ec，源主机IP是c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主机IP是c0 a8 00 01（192.168.0.1）。  
UDP首部：源端口号0x05d4（1492）是客户端的端口号，**目的端口号0x0045（69）是 TFTP服务的well-known端口号。**  
UDP报长度为0x003f，即63字节，包括UDP首部和UDP层payload的长度。  
UDP首部和UDP层payload的校验和为0xac40。  
TFTP是基于文本的协议，各字段之间用字节0分隔，开头的00 01表示请求读取一个文件。接下来的各字段是：

c:\qwerq.qwe
    netascii
    blksize 512
    timeout 10
    tsize 0

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一般的网络通信都是像TFTP协议这样，通信的双方分别是客户端和服务器，客户端主动 发起请求（上面的例子就是客户端发起的请求帧），而服务器被动地等待、接收和应答请求。  
客户端的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP客户端进程，服务器的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP服务进程，由于客户端是主动发起请求的一方，它必须知道服务器的IP地址和TFTP服务进程的端口号，所以，一些常见的网络协议有默认的服务器端口，例如HTTP服务默认TCP协议的80端口，FTP服务默认TCP协议的21端口，TFTP服务默认UDP协议的69端口（如上例所示）。

在使用客户端程序时，必须指定服务器的主机名或IP地址，如果不明确指定端口号则采用默认端口，请读者查阅ftp、tftp等程序的man page了解如何指定端口号。

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## TCP数据报格式 ##

数据报格式如下图

![这里写图片描述][20160212000345454]

和UDP协议一样也有源端口号和目的端口号，通讯的双方由IP地址和端口号标识。  
4位首部长度和IP协议头类似，表示TCP协议头的长度，以4字节为单位，因此TCP协议头最长可以是4x15=60字节，如果没有选项字段，TCP协议头最短20字节。  
URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN是六个控制位。  
16位检验和将TCP协议头和数据都计算在内。

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**通信时序**

下图是一次TCP通讯的时序图  
TCP连接建立断开

![这里写图片描述][20160212000435939]

在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。  
两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。  
双方发送的段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0),ACK 1001, ，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001，带有一个mss选项值为1024。

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**建立连接的过程：**

1.  客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。  
    mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。
2.  服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。
3.  客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。

在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为”三方握手（three-way-handshake）”。  
在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

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**数据传输的过程：**

*  1、客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。
 *  2、服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。
 *  3、客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

这个例子只描述了最简单的一问一答的情景，实际的TCP数据传输过程可以收发很多数据段，虽然典型的情景是客户端主动请求服务器被动应答，但也不是必须如此，事实上TCP协议为应用层提供了全双工（full-duplex）的服务，双方都可以主动甚至同时给对方发送数据。

如果通讯过程只能采用一问一答的方式，收和发两个方向不能同时传输，在同一时间只允许一个方向的数据传输，则称为”半双工（half-duplex）”。

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**关闭连接的过程：**

*  1、客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。
 *  2、服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。
 *  3、服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。
 *  4、客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

**建立连接的过程是三方握手，而关闭连接需要4个段**，服务器的请求和应答不能合并在一个段中，这是因为有连接半关闭的情况，客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

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学习资料大部分来自Linux C 一站式编程

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