网络协议栈基本知识

【注】：文章中的内容主要收集来自网上或者书籍中。

1、网络协议分层

按照分层的思想把网络协议栈进行分层主要有以下好处：

1.促进标准化工作，允许各个供应商进行开发

2.各层间相互独立，把网络操作分成低复杂单元

3.灵活性好，某一层变化不会影响到其它层

4.各层间通过一个接口在相邻层上下通信

OSI七层模型和TCP/IP五层模型的对比如下，我们现在用的是五层协议模型：

2、PDU、封装和解封装

• PDU（protocol data unit）：每一层使用自己层的协议和别的系统的对应层相互通信，协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单元
• 上层：message
• 传输层：segment
• 网络层：packet
• 数据链路层：frame
• 物理层：bit
• 封装：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫封装
• 封装分为：切片和加控制信息
• 解封装：上述的逆向过程

数据进入TCP/IP协议栈时的封装过程如下：

数据进入TCP/IP协议栈时的解封装过程如下：

3、以太帧和常见的报文格式

（1）以太网帧（Ethernet II Frame）

• D-MAC：目的MAC地址
• S-MAC：源MAC地址
• 类型域：表示帧里面上层协议数据的类型，0x0800代表IP协议帧，0x0806代表ARP协议帧
• CRC：帧校验

（2）IP数据报

• 版本号：4代表IPv4，
• 头长度：报头的长度，值为4字节的倍数，故首部长度最大为60字节
• 服务类型：暂未使用
• 总长度：IP数据报的长度（报头区+数据区），单位为字节，故总长度最大为65535字节，但总长度不能超过最大传输单元MTU
• 标识：一个计数器，用来产生数据报的标识
• 标志：占3位，最低位MF，为1表示还有分片，中间为DF，为0,表示允许分片
• 片偏移：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，单位为8字节
• TTL：生存时间，数据报可以经过的最大路由器数
• 上层协议标识：1：ICMP，2：IGMP、6：TCP、17：UDP等；

分片举例：

IP数据报解析：

（3）TCP数据报

• 协议、源IP、源端口、目的IP、目的端口确定一个TCP连接
• 顺序号：TCP段所发送的数据部分第一个字节的序号
• 确认号：期望收到对方下次发送的数据的第一个字节的序号
• 头部长度：单位为4字节，因此TCP首部的最大长度为60字节
• 窗口大小：窗口通告值，发送方根据接收方的窗口告值调整窗口大小
• 紧急指针：指示紧急数据在报文段中的结束位置此时URG置位
• URG：表示紧急指针字段有效
• ACK：表示确认号字段有效
• PSH：表示当前报文需要推操作
• RST：置位表示复位TCP连接
• SYN：用于建立TCP连接时同步序列号
• FIN：用于释放TCP连接时标识发送方比特流结束

TCP报文解析：

（4）UDP数据包

      

常见协议对应的端口号：

UDP DHCP服务器端：67，DHCP客户端：68，DNS服务：53

TCP POP3（邮件接收协议）：110，SMTP（邮件传输协议）：25，HTTP服务：80

TCP FTP：数据传输为20，控制命令传输为21，Telnet：23

端口号范围为：1~65535，1~1024为熟知端口号，1025~65535称为动态端口

（5）ARP协议

• ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议，是根据 IP 地址获取物理 MAC 地址的一个 TCP/IP 协议。
• ARP 高速缓冲表：用来记录 IP 和 主机 MAC 地址的对应关系。会不断更新。
• 功能：通过目标设备的 IP 地址，查询目标设备的 MAC 地址，同时维护 ARP 高速缓冲表，以保证通信的顺利进行。

ARP分组格式

• 硬件类型：以太网为1
• 协议类型：网络层协议类型，IP协议为0x0800
• OP：操作码，ARP请求为1，ARP应答为2

（6）ICMP协议

• ICMP 是 "Internet Control Message Protocol"（网络控制报文协议）的缩写，用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。
• 控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。
• ICMP 层区分不是很明显，一般划分在 IP 层中，通过 IP 包来封装ICMP数据 ，在实际传输中数据包的格式一般都是 IP 包 + ICMP包的格式

ICMP包格式：

代码：用来表示ICMP报文类型的少数参数，

例如：代码值为0，表示网络不可达；代码值为1，表示主机不可达

（7）DNS协议简介

• DNS（Domain Name System）：域名系统，将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库
• 采用Client/Sever工作模式
• DNS 协议运行在 UDP 协议之上，使用端口号 53
• 过程图解

（8）DHCP协议简介

• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：动态主机配置协议
• 采用Client/Sever工作模式
• 为主机提供配置参数、自动分配可重复利用的网络地址
• DHCP 协议运行在 UDP 协议之上，服务器端口号 67，客户端口号68

4、ping演示

Ping命令是为了检查网络的连接状况而使用的网络工具之一，用来检测数据包到达目的主机的可能性。

原理：使用ICMP协议的回送请求、回送应答。客户端发送回送请求给服务器，服务器返回一个ICMP回应应答。

Ping过程图解：

 

• 首先开发板要解析百度的域名，获取到百度主机的 IP 地址，涉及到 DNS 协议，传输层用的是 UDP 协议
• DNS 主机利用 UDP 协议，回复百度的 IP 地址给开发板。
• 现在开发板要发送 Ping 请求包给百度主机，但是发现百度主机 IP 地址与自己不在同一网段，因此要发送 Ping 请求包给默认网关。
• 要发送给默认网关的时候，忽然发现并没有默认网关对应的 MAC 地址，因此发送一个 ARP 广播包，如果交换机存储了默认网关的 MAC 地址，就直接告诉开发板默认网关的 MAC 地址，否则就会向所有端口发送ARP广播，直到路由1收到了报文后，立即响应，单播自己的 MAC 地址给开发板。
• 这样开发板就可以把 Ping 包发送给默认网关（路由1）了。
• 然后路由1 经过路由协议，经过一个个路由的转发，最后发送到了百度的主机上。百度主机检测到 IP 是自己的 IP，接收并处理 Ping 请求，接着百度主机发送一个 Ping 回应报文给开发板。

5、TCP客户端服务器通信演示

TCP（传输控制协议）：提供一种面向连接的、可靠的传输层协议（即数据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信）。

TCP三次握手过程：

TCP四次挥手过程：