tcp、udp、ip協(xié)議分析_動(dòng)力節(jié)點(diǎn)Java學(xué)院整理

2024-07-21 02:02:55

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互連網(wǎng)早期的時(shí)候，主機(jī)間的互連使用的是NCP協(xié)議。這種協(xié)議本身有很多缺陷，如:不能互連不同的主機(jī)，不能互連不同的操作系統(tǒng)，沒有糾錯(cuò)功能。為了改善這種缺點(diǎn)，大牛弄出了TCP/IP協(xié)議?，F(xiàn)在幾乎所有的操作系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。

TCP/IP協(xié)議棧主要分為四層:應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層,每層都有相應(yīng)的協(xié)議，如下圖

所謂的協(xié)議就是雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N格式。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用的協(xié)議有很多,所幸的是每一種協(xié)議都有RFC文檔。在這里只對(duì)IP、TCP、UDP協(xié)議頭做一個(gè)分析。

首先來看看在網(wǎng)絡(luò)中，一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的格式：

在Linux 操作系統(tǒng)中，當(dāng)我們想發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們只需要在上層準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，然后提交給內(nèi)核協(xié)議棧 , 內(nèi)核協(xié)議棧自動(dòng)添加相應(yīng)的協(xié)議頭。下面我們來看看，每一層添加的協(xié)議頭具體內(nèi)容。

一. TCP協(xié)議

TCP協(xié)議是面向連接、保證高可靠性(數(shù)據(jù)無丟失、數(shù)據(jù)無失序、數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)無重復(fù)到達(dá))傳輸層協(xié)議。

1.TCP頭分析

先來分析一下TCP頭的格式以及每一個(gè)字段的含義:

(1)端口號(hào)[16bit]

我們知道，網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是不同主機(jī)的進(jìn)程間通信。在一個(gè)操作系統(tǒng)中，有很多進(jìn)程，當(dāng)數(shù)據(jù)到來時(shí)要提交給哪個(gè)進(jìn)程進(jìn)行處理呢?這就需要用到端口號(hào)。在TCP頭中，有源端口號(hào)(Source Port)和目標(biāo)端口號(hào)(Destination Port)。源端口號(hào)標(biāo)識(shí)了發(fā)送主機(jī)的進(jìn)程,目標(biāo)端口號(hào)標(biāo)識(shí)接受方主機(jī)的進(jìn)程。

(2)序號(hào)[32bit]

序號(hào)分為發(fā)送序號(hào)(Sequence Number)和確認(rèn)序號(hào)(Acknowledgment Number)。

發(fā)送序號(hào)：用來標(biāo)識(shí)從 TCP源端向 TCP目的端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流，它表示在這個(gè)報(bào)文段中的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的順序號(hào)。如果將字節(jié)流看作在兩個(gè)應(yīng)用程序間的單向流動(dòng)，則 TCP用順序號(hào)對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行計(jì)數(shù)。序號(hào)是 32bit的無符號(hào)數(shù)，序號(hào)到達(dá) 2 32－ 1后又從 0開始。當(dāng)建立一個(gè)新的連接時(shí)， SYN標(biāo)志變 1，順序號(hào)字段包含由這個(gè)主機(jī)選擇的該連接的初始順序號(hào) ISN（ Initial Sequence Number）。

確認(rèn)序號(hào)：包含發(fā)送確認(rèn)的一端所期望收到的下一個(gè)順序號(hào)。因此，確認(rèn)序號(hào)應(yīng)當(dāng)是上次已成功收到數(shù)據(jù)字節(jié)順序號(hào)加 1。只有 ACK標(biāo)志為 1時(shí)確認(rèn)序號(hào)字段才有效。 TCP為應(yīng)用層提供全雙工服務(wù)，這意味數(shù)據(jù)能在兩個(gè)方向上獨(dú)立地進(jìn)行傳輸。因此，連接的每一端必須保持每個(gè)方向上的傳輸數(shù)據(jù)順序號(hào)。

(3)偏移[4bit]

這里的偏移實(shí)際指的是TCP首部的長(zhǎng)度，它用來表明TCP首部中32 bit字的數(shù)目，通過它可以知道一個(gè)TCP包它的用戶數(shù)據(jù)是從哪里開始的。這個(gè)字段占4bit,如4bit的值是0101,則說明TCP首部長(zhǎng)度是5 * 4 = 20字節(jié)。所以TCP的首部長(zhǎng)度最大為15 * 4 = 60字節(jié)。然而沒有可選字段，正常長(zhǎng)度為20字節(jié)。

(4)Reserved [6bit]

目前沒有使用，它的值都為0

(5)標(biāo)志[6bit]

在TCP首部中有6個(gè)標(biāo)志比特。他們中的多個(gè)可同時(shí)被置為1 。

URG 緊急指針(urgent pointer)有效

ACK 確認(rèn)序號(hào)有效

PSH 指示接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文段交給應(yīng)用層而不用等待緩沖區(qū)裝滿
RST 一般表示斷開一個(gè)連接

例如:一個(gè)TCP的客戶端向一個(gè)沒有監(jiān)聽的端口的服務(wù)器端發(fā)起連接,wirshark抓包如下

可以看到host:192.168.63.134向host:192.168.63.132發(fā)起連接請(qǐng)求，但是host：192.168.63.132并沒有處于監(jiān)聽對(duì)應(yīng)端口的服務(wù)器端，這時(shí)

host : 192.168.63.132發(fā)一個(gè)RST置位的TCP包斷開連接。

SYN 同步序號(hào)用來發(fā)起一個(gè)連接

FIN 發(fā)送端完成發(fā)送任務(wù)(即斷開連接)

(6)窗口大小(window)[16bit]

窗口的大小，表示源方法最多能接受的字節(jié)數(shù)。。

(7)校驗(yàn)和[16bit]

校驗(yàn)和覆蓋了整個(gè)的TCP報(bào)文段:TCP首部和TCP數(shù)據(jù)。這是一個(gè)強(qiáng)制性的字段，一定是由發(fā)端計(jì)算和存儲(chǔ)，并由收端進(jìn)行驗(yàn)證。

(8)緊急指針[16bit]

只有當(dāng)URG標(biāo)志置為1時(shí)緊急指針才有效。緊急指針是一個(gè)正的偏移量，和序號(hào)字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。TCP的緊急方式是發(fā)送端向另一端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的一種方式。

(9)TCP選項(xiàng)

是可選的,在后面抓包的時(shí)候，我們?cè)诳纯此?br />

2.重點(diǎn)詳解

(1)三次握手建立連接

a.請(qǐng)求端(通常稱為客戶)發(fā)送一個(gè)SYN段指明客戶打算連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號(hào)(ISN,在這個(gè)例子中為1415531521)。這個(gè)SYN段為報(bào)文段1。
b.服務(wù)器發(fā)回包含服務(wù)器的初始序號(hào)的SYN報(bào)文段(報(bào)文段2)作為應(yīng)答。同時(shí)，將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為客戶的ISN加1以對(duì)客戶的SYN報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)。一個(gè)SYN將占用一個(gè)序號(hào)
c.客戶必須將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為服務(wù)器的ISN加1以對(duì)服務(wù)器的SYN報(bào)文段進(jìn)行確認(rèn)(報(bào)文段3)
這三個(gè)報(bào)文段完成連接的建立。這個(gè)過程也稱為三次握手(three-way handshake)

用wirshark抓包如下:

可以看到三次握手確定了雙方間包的序號(hào)、最大接受數(shù)據(jù)的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。
MSS = MTU - IP頭 - TCP頭,MTU表示最大傳輸單元，我們?cè)贗P頭分析的時(shí)候會(huì)講到,它一般為1500個(gè)字節(jié)。IP頭和TCP 頭部帶可選選項(xiàng)的時(shí)候都是20個(gè)字節(jié)。這樣的話MSS=1500 - 20 -20 = 1460。

MSS限制了TCP包攜帶數(shù)據(jù)的大小,它的意思就是當(dāng)應(yīng)用層向傳輸層提交數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸時(shí)，如果應(yīng)用層的數(shù)據(jù)>MSS就必須分段，分成多個(gè)段，逐個(gè)的發(fā)過去。

例如:應(yīng)用層一次性向傳輸層提交4096個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候通過wirshark抓包效果如下:

前三次是三次握手的過程，后面三次是傳送數(shù)據(jù)的過程，由于數(shù)據(jù)大小是4096個(gè)字節(jié)，所以用了三次進(jìn)行傳遞(1448 + 1448 + 1200)。細(xì)心的人會(huì)問為什么每次傳送的最大數(shù)據(jù)大小不是1460個(gè)字節(jié)呢?因?yàn)檫@里的TCP攜帶可選項(xiàng)，TCP頭長(zhǎng)度 = 20 + 12（可選選項(xiàng)大?。?= 32字節(jié)。這樣能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)為:1500 - 20 - 32 = 1448個(gè)字節(jié)。

(2)四次揮手?jǐn)嚅_連接

a.現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信都是基于socket實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)客戶端將自己的socket進(jìn)行關(guān)閉時(shí)，內(nèi)核協(xié)議棧會(huì)向服務(wù)器自動(dòng)發(fā)送一個(gè)FIN置位的包，請(qǐng)求斷開連接。我們稱首先發(fā)起斷開請(qǐng)求的一方稱為主動(dòng)斷開方。
b.服務(wù)器端收到請(qǐng)客端的FIN斷開請(qǐng)求后，內(nèi)核協(xié)議棧會(huì)立即發(fā)送一個(gè)ACK包作為應(yīng)答，表示已經(jīng)收到客戶端的請(qǐng)求
c.服務(wù)器運(yùn)行一段時(shí)間后，關(guān)閉了自己的socket。這個(gè)時(shí)候內(nèi)核協(xié)議棧會(huì)向客戶端發(fā)送一個(gè)FIN置位的包，請(qǐng)求斷開連接
d.客戶端收到服務(wù)端發(fā)來的FIN斷開請(qǐng)求后，會(huì)發(fā)送一個(gè)ACK做出應(yīng)答，表示已經(jīng)收到服務(wù)端的請(qǐng)求

用wirshar抓包分析如下:

(3)TCP可靠性的保證

TCP采用一種名為“帶重傳功能的肯定確認(rèn)（positive acknowledge with retransmission）”的技術(shù)作為提供可靠數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)要求接收方收到數(shù)據(jù)之后向源站回送確認(rèn)信息ACK。發(fā)送方對(duì)發(fā)出的每個(gè)分組都保存一份記錄，在發(fā)送下一個(gè)分組之前等待確認(rèn)信息。發(fā)送方還在送出分組的同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，并在定時(shí)器的定時(shí)期滿而確認(rèn)信息還沒有到達(dá)的情況下，重發(fā)剛才發(fā)出的分組。圖3-5表示帶重傳功能的肯定確認(rèn)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的情況，圖3-6表示分組丟失引起超時(shí)和重傳。為了避免由于網(wǎng)絡(luò)延遲引起遲到的確認(rèn)和重復(fù)的確認(rèn)，協(xié)議規(guī)定在確認(rèn)信息中稍帶一個(gè)分組的序號(hào)，使接收方能正確將分組與確認(rèn)關(guān)聯(lián)起來。

從圖 3-5可以看出，雖然網(wǎng)絡(luò)具有同時(shí)進(jìn)行雙向通信的能力，但由于在接到前一個(gè)分組的確認(rèn)信息之前必須推遲下一個(gè)分組的發(fā)送，簡(jiǎn)單的肯定確認(rèn)協(xié)議浪費(fèi)了大量寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬。為此， TCP使用滑動(dòng)窗口的機(jī)制來提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時(shí)解決端到端的流量控制。

(4)滑動(dòng)窗口技術(shù)

滑動(dòng)窗口技術(shù)是簡(jiǎn)單的帶重傳的肯定確認(rèn)機(jī)制的一個(gè)更復(fù)雜的變形，它允許發(fā)送方在等待一個(gè)確認(rèn)信息之前可以發(fā)送多個(gè)分組。如圖 3-7所示，發(fā)送方要發(fā)送一個(gè)分組序列，滑動(dòng)窗口協(xié)議在分組序列中放置一個(gè)固定長(zhǎng)度的窗口，然后將窗口內(nèi)的所有分組都發(fā)送出去；當(dāng)發(fā)送方收到對(duì)窗口內(nèi)第一個(gè)分組的確認(rèn)信息時(shí)，它可以向后滑動(dòng)并發(fā)送下一個(gè)分組；隨著確認(rèn)的不斷到達(dá)，窗口也在不斷的向后滑動(dòng)。

二、UDP協(xié)議

UDP協(xié)議也是傳輸層協(xié)議，它是無連接，不保證可靠的傳輸層協(xié)議。它的協(xié)議頭比較簡(jiǎn)單，如下:

這里的端口號(hào)就不解釋了,和TCP的端口號(hào)是一樣的含義。

Length占用2個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)UDP頭的長(zhǎng)度。Checksum : 校驗(yàn)和,包含UDP頭和數(shù)據(jù)部分。

三、IP協(xié)議

I P是T C P / I P協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P數(shù)據(jù)都以I P數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。它的特點(diǎn)如下:
不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保證 I P數(shù)據(jù)報(bào)能成功地到達(dá)目的地。 I P僅提供最好的傳輸服務(wù)。如果發(fā)生某種錯(cuò)誤時(shí)，如某個(gè)路由器暫時(shí)用完了緩沖區(qū)， I P有一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤處理算法：丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)，然后發(fā)送 I C M P消息報(bào)給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供（如T C P）。

無連接（c o n n e c t i o n l e s s）這個(gè)術(shù)語的意思是I P并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是相互獨(dú)立的。這也說明， I P數(shù)據(jù)報(bào)可以不按發(fā)送順序接收。如果一信源向相同的信宿發(fā)送兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)（先是 A，然后是B），每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都是獨(dú)立地進(jìn)行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達(dá)之前先到達(dá)。

1.IP 頭格式

(1)版本　占4位，指IP協(xié)議的版本。通信雙方使用的IP協(xié)議版本必須一致。目前廣泛使用的IP協(xié)議版本號(hào)為4（即IPv4）。關(guān)于IPv6，目前還處于草案階段。

(2)首部長(zhǎng)度　占4位，可表示的最大十進(jìn)制數(shù)值是15。請(qǐng)注意，這個(gè)字段所表示數(shù)的單位是32位字長(zhǎng)（1個(gè)32位字長(zhǎng)是4字節(jié)），因此，當(dāng)IP的首部長(zhǎng)度為1111時(shí)（即十進(jìn)制的15），首部長(zhǎng)度就達(dá)到60字節(jié)。當(dāng)IP分組的首部長(zhǎng)度不是4字節(jié)的整數(shù)倍時(shí)，必須利用最后的填充字段加以填充。因此數(shù)據(jù)部分永遠(yuǎn)在4字節(jié)的整數(shù)倍開始，這樣在實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議時(shí)較為方便。首部長(zhǎng)度限制為60字節(jié)的缺點(diǎn)是有時(shí)可能不夠用。但這樣做是希望用戶盡量減少開銷。最常用的首部長(zhǎng)度就是20字節(jié)（即首部長(zhǎng)度為0101），這時(shí)不使用任何選項(xiàng)。

(3)區(qū)分服務(wù)　占8位，用來獲得更好的服務(wù)。這個(gè)字段在舊標(biāo)準(zhǔn)中叫做服務(wù)類型，但實(shí)際上一直沒有被使用過。1998年IETF把這個(gè)字段改名為區(qū)分服務(wù)DS(Differentiated Services)。只有在使用區(qū)分服務(wù)時(shí)，這個(gè)字段才起作用。

(4)總長(zhǎng)度　總長(zhǎng)度指首部和數(shù)據(jù)之和的長(zhǎng)度，單位為字節(jié)?？傞L(zhǎng)度字段為16位，因此數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為216-1=65535字節(jié)。

在IP層下面的每一種數(shù)據(jù)鏈路層都有自己的幀格式，其中包括幀格式中的數(shù)據(jù)字段的最大長(zhǎng)度，這稱為最大傳送單元MTU(Maximum Transfer Unit)。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)封裝成鏈路層的幀時(shí)，此數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度（即首部加上數(shù)據(jù)部分）一定不能超過下面的數(shù)據(jù)鏈路層的MTU值。

(5)標(biāo)識(shí)(identification)　占16位。IP軟件在存儲(chǔ)器中維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)數(shù)器就加1，并將此值賦給標(biāo)識(shí)字段。但這個(gè)“標(biāo)識(shí)”并不是序號(hào)，因?yàn)镮P是無連接服務(wù)，數(shù)據(jù)報(bào)不存在按序接收的問題。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)由于長(zhǎng)度超過網(wǎng)絡(luò)的MTU而必須分片時(shí)，這個(gè)標(biāo)識(shí)字段的值就被復(fù)制到所有的數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)字段中。相同的標(biāo)識(shí)字段的值使分片后的各數(shù)據(jù)報(bào)片最后能正確地重裝成為原來的數(shù)據(jù)報(bào)。

(6)標(biāo)志(flag)　占3位，但目前只有2位有意義。

●　標(biāo)志字段中的最低位記為MF(More Fragment)。MF=1即表示后面“還有分片”的數(shù)據(jù)報(bào)。MF=0表示這已是若干數(shù)據(jù)報(bào)片中的最后一個(gè)

●　標(biāo)志字段中間的一位記為DF(Don't Fragment)，意思是“不能分片”。只有當(dāng)DF=0時(shí)才允許分片。

(7)片偏移　占13位。片偏移指出：較長(zhǎng)的分組在分片后，某片在原分組中的相對(duì)位置。也就是說，相對(duì)用戶數(shù)據(jù)字段的起點(diǎn)，該片從何處開始。片偏移以8個(gè)字節(jié)為偏移單位。這就是說，每個(gè)分片的長(zhǎng)度一定是8字節(jié)（64位）的整數(shù)倍。

(8)生存時(shí)間　占8位，生存時(shí)間字段常用的的英文縮寫是TTL(Time To Live)，表明是數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的壽命。由發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)的源點(diǎn)設(shè)置這個(gè)字段。其目的是防止無法交付的數(shù)據(jù)報(bào)無限制地在因特網(wǎng)中兜圈子，因而白白消耗網(wǎng)絡(luò)資源。最初的設(shè)計(jì)是以秒作為TTL的單位。每經(jīng)過一個(gè)路由器時(shí)，就把TTL減去數(shù)據(jù)報(bào)在路由器消耗掉的一段時(shí)間。若數(shù)據(jù)報(bào)在路由器消耗的時(shí)間小于1秒，就把TTL值減1。當(dāng)TTL值為0時(shí)，就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。

(9)協(xié)議　占8位，協(xié)議字段指出此數(shù)據(jù)報(bào)攜帶的數(shù)據(jù)是使用何種協(xié)議，以便使目的主機(jī)的IP層知道應(yīng)將數(shù)據(jù)部分上交給哪個(gè)處理過程。

(10)首部檢驗(yàn)和　占16位。這個(gè)字段只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部，但不包括數(shù)據(jù)部分。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過一個(gè)路由器，路由器都要重新計(jì)算一下首部檢驗(yàn)和（一些字段，如生存時(shí)間、標(biāo)志、片偏移等都可能發(fā)生變化）。不檢驗(yàn)數(shù)據(jù)部分可減少計(jì)算的工作量。

(11)源IP地址　占32位。

(12)目的IP地址　占32位。

2.分片解釋

分片指的是需要傳送的數(shù)據(jù)大于最大傳輸單元（MTU）的時(shí)候，就需要分成多個(gè)包，然后一個(gè)個(gè)發(fā)送給對(duì)方。我們?cè)谡fTCP的時(shí)候，說到MSS很多人不能區(qū)分它們。通過下面的圖，我想就可以完全區(qū)分它們了。

個(gè)人覺的如果通過TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，到IP層的時(shí)候，可定不需要分片了。只有在通過UDP協(xié)議傳送大數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要分片。
例如:用UDP協(xié)議傳送10240個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

可以看到，但數(shù)據(jù)提交到網(wǎng)絡(luò)層的時(shí)候，由于數(shù)據(jù)超過了最大傳輸單元，就分片了。分成多個(gè)包通過IP協(xié)議發(fā)送個(gè)對(duì)方。每個(gè)數(shù)據(jù)包最大的字節(jié)為MTU - IP頭 = 1500 - 20 = 1480。

四、以太網(wǎng)頭