Linux网络编程：7. TCP/IP协议

时间：17:22:26 作者：snailium

Mar 01 2006

7.1 网络传输分层

　　如果你考过计算机等级考试，那么你就应该已经知道了网络传输分层这个概念。在网络上，人们为了传输数据时的方便，把网络的传输分为7个层次，分别是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。分好了层以后，传输数据时，上一层如果要数据的话，就可以直接向下一层要了，而不必要管数据传输的细节；下一层也只向它的上一层提供数据，而不要去管其它东西了。如果你不想考试，你没有必要去记这些东西的。只要知道是分层的，而且各层的作用不同。

7.2 IP协议

　　IP协议是在网络层的协议。它主要完成数据包的发送作用。下面这个表是IP4的数据包格式：

　　0        4        8        16                       32
　　+--------+--------+--------+------------------------+
　　| 版本 |首部长度|服务类型|       数据包总长       |
　　+--------+--------+--------+---+---+----------------+
　　|           标识           |DF |MF |    碎片偏移    |
　　+-----------------+--------+---+---+----------------+
　　|     生存时间    | 协议 |       首部较验和       |
　　+-----------------+--------+------------------------+
　　|                      源IP地址                     |
　　+---------------------------------------------------+
　　|                     目的IP地址                    |
　　+---------------------------------------------------+
　　|                        选项                       |
　　+===================================================+
　　|                        数据                       |
　　+---------------------------------------------------+

　　下面我们看一看IP的结构定义<netinet/ip.h>：

　　struct ip
　　{
　　#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
　　　　unsigned int ip_hl:4;           /* header length */
　　　　unsigned int ip_v:4;            /* version */
　　#endif
　　#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
　　　　unsigned int ip_v:4;            /* version */
　　　　unsigned int ip_hl:4;           /* header length */
　　#endif
　　　　u_int8_t ip_tos;                /* type of service */
　　　　u_short ip_len;                 /* total length */
　　　　u_short ip_id;                  /* identification */
　　　　u_short ip_off;                 /* fragment offset field */
　　#define IP_RF 0x8000                /* reserved fragment flag */
　　#define IP_DF 0x4000                /* dont fragment flag */
　　#define IP_MF 0x2000                /* more fragments flag */
　　#define IP_OFFMASK 0x1fff           /* mask for fragmenting bits */
　　　　u_int8_t ip_ttl;                /* time to live */
　　　　u_int8_t ip_p;                  /* protocol */
　　　　u_short ip_sum;                 /* checksum */
　　　　struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
　　};

　　ip_vIP：协议的版本号，这里是4，现在IPV6已经出来了。
　　ip_hlIP：包首部长度，这个值以4字节为单位。IP协议首部的固定长度为20个字节，如果IP包没有选项，那么这个值为5。
　　ip_tos：服务类型，说明提供的优先权。
　　ip_len：说明IP数据的长度，以字节为单位。
　　ip_id：标识这个IP数据包。
　　ip_off：碎片偏移，这和上面ID一起用来重组碎片的。
　　ip_ttl：生存时间，每经过一个路由的时候减一，直到为0时被抛弃。
　　ip_p：协议，表示创建这个IP数据包的高层协议，如TCP、UDP协议。
　　ip_sum：首部校验和，提供对首部数据的校验。
　　ip_src、ip_dst：发送者和接收者的IP地址。

　　关于IP协议的详细情况,请参考RFC791。

7.3 ICMP协议

　　ICMP是消息控制协议，也处于网络层。在网络上传递IP数据包时，如果发生了错误，那么就会用ICMP协议来报告错误。

　　ICMP包的结构如下：

　　0              8              16                               32
　　+--------------+--------------+--------------------------------+
　　|     类型     |     代码     |            校验和              |
　　+--------------+--------------+--------------------------------+
　　|            数据             |             数据               |
　　+-----------------------------+--------------------------------+

　　ICMP在<netinet/ip_icmp.h>中的定义是：

　　struct icmphdr
　　{
　　　　u_int8_t type;                /* message type */
　　　　u_int8_t code;                /* type sub-code */
　　　　u_int16_t checksum;
　　　　union
　　　　{
　　　　　　struct
　　　　　　{
　　　　　　　　u_int16_t id;
　　　　　　　　u_int16_t sequence;
　　　　　　} echo;                     /* echo datagram */
　　　　　　u_int32_t   gateway;        /* gateway address */
　　　　　　struct
　　　　　　{
　　　　　　　　u_int16_t __unused;
　　　　　　　　u_int16_t mtu;
　　　　　　} frag;                     /* path mtu discovery */
　　　　} un;
　　};

　　关于ICMP协议的详细情况可以查看RFC792。

7.4 UDP协议

　　UDP协议是建立在IP协议基础之上的，用在传输层的协议。UDP和IP协议一样是不可靠的数据报服务。

　　UDP的头格式为：

　　0                       16                     　32
　　+-----------------------+------------------------+
　　|      UDP源端口        |      UDP目的端口       |
　　+-----------------------+------------------------+
　　|    UDP数据报长度      |     UDP数据报校验      |
　　+-----------------------+------------------------+

　　UDP结构在<netinet/udp.h>中的定义为：

　　struct udphdr {
　　　　u_int16_t     source;
　　　　u_int16_t     dest;
　　　　u_int16_t     len;
　　　　u_int16_t     check;
　　};

　　关于UDP协议的详细情况，请参考RFC768。

7.5 TCP

　　TCP协议也是建立在IP协议之上的，不过TCP协议是可靠的、按照顺序发送的。TCP的数据结构比前面的结构都要复杂。

　　0        4       8    10         16               24               32
　　+--------------------------------+---------------------------------+
　　|            源端口              |            目的端口             |
　　+--------------------------------+---------------------------------+
　　|                             序列号                               |
　　+------------------------------------------------------------------+
　　|                             确认号                               |
　　+--------+-------------+-+-+-+-+-+---------------------------------+
　　|　　　　|　　　　     |U|A|P|S|F|                                 |
　　|首部长度|    保留     |R|C|S|Y|I|              窗口               |
　　|　　　　|　　　　     |G|K|H|N|N|                                 |
　　+--------+-------------+-+-+-+-+-+---------------------------------+
　　|            校验和              |            紧急指针             |
　　+--------------------------------+-----------------+---------------+
　　|                     选项                         |   填充字节    |
　　+--------------------------------------------------+---------------+

　　TCP的结构在<netinet/tcp.h>中定义为：

　　struct tcphdr
　　{
　　    u_int16_t source;
　　    u_int16_t dest;
　　    u_int32_t seq;
　　    u_int32_t ack_seq;
　　#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
　　    u_int16_t res1:4;
　　    u_int16_t doff:4;
　　    u_int16_t fin:1;
　　    u_int16_t syn:1;
　　    u_int16_t rst:1;
　　    u_int16_t psh:1;
　　    u_int16_t ack:1;
　　    u_int16_t urg:1;
　　    u_int16_t res2:2;
　　#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
　　    u_int16_t doff:4;
　　    u_int16_t res1:4;
　　    u_int16_t res2:2;
　　    u_int16_t urg:1;
　　    u_int16_t ack:1;
　　    u_int16_t psh:1;
　　    u_int16_t rst:1;
　　    u_int16_t syn:1;
　　    u_int16_t fin:1;
　　#endif
　　    u_int16_t window;
　　    u_int16_t check;
　　    u_int16_t urg_prt;
　　};

　　source：发送TCP数据的源端口。
　　dest：接受TCP数据的目的端口。
　　seq：标识该TCP所包含的数据字节的开始序列号。
　　ack_seq：确认序列号，表示接受方下一次接受的数据序列号。
　　doff：数据首部长度。和IP协议一样，以4字节为单位。一般的时候为5。
　　urg：如果设置紧急数据指针，则该位为1。
　　ack：如果确认号正确,那么为1。
　　psh：如果设置为1，那么接收方收到数据后，立即交给上一层程序。
　　rst：为1的时候，表示请求重新连接。
　　syn：为1的时候，表示请求建立连接。
　　fin：为1的时候，表示亲戚关闭连接。
　　window：窗口，告诉接收者可以接收的大小。
　　check：对TCP数据进行较核。
　　urg_ptr：如果 urg=1，那么指出紧急数据对于历史数据开始的序列号的偏移值。

　　关于TCP协议的详细情况，请查看RFC793。

7.6 TCP连接的建立

　　TCP协议是一种可靠的连接，为了保证连接的可靠性，TCP的连接要分为几个步骤。我们把这个连接过程称为“三次握手”。

　　下面我们从一个实例来分析建立连接的过程。

　　第一步客户机向服务器发送一个TCP数据包，表示请求建立连接。为此，客户端将数据包的 SYN 位设置为1，并且设置序列号 seq=1000 (我们假设为1000)。
　　第二步服务器收到了数据包，并从 SYN 位为1知道这是一个建立请求的连接，于是服务器也向客户端发送一个TCP数据包。因为是响应客户机的请求，于是服务器设置 ACK 为1，sak_seq=1001 (1000+1)同时设置自己的序列号，seq=2000 (我们假设为2000)。
　　第三步客户机收到了服务器的TCP，并从 ACK 为1和 ack_seq=1001 知道是从服务器来的确认信息，于是客户机也向服务器发送确认信息。客户机设置 ACK=1 和 ack_seq=2001、seq=1001 发送给服务器。至此客户端完成连接。
　　最后一步服务器受到确认信息，也完成连接。

　　通过上面几个步骤，一个TCP连接就建立了。当然在建立过程中可能出现错误，不过TCP协议可以保证自己去处理错误的。

　　说一说其中的一种错误。

　　听说过DOS吗？（可不是操作系统啊）
　　今年春节的时候，美国的五大网站一起受到攻击。攻击者用的就是DOS（拒绝式服务）方式。概括的说一下原理。
　　客户机先进行第一个步骤。服务器收到后，进行第二个步骤。按照正常的TCP连接，客户机应该进行第三个步骤。不过攻击者实际上并不进行第三个步骤。因为客户端在进行第一个步骤的时候，修改了自己的IP地址，就是说将一个实际上不存在的IP填充在自己IP数据包的发送者的IP一栏。这样因为服务器发的IP地址没有人接收，所以服务端会收不到第三个步骤的确认信号，这样服务务端会在那边一直等待，直到超时。这样当有大量的客户发出请求后，服务端会有大量等待，直到所有的资源被用光，而不能再接收客户机的请求。这样当正常的用户向服务器发出请求时，由于没有了资源而不能成功。于是就出现了春节时所出现的情况。