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rikako-note/tcpip/tcp_ip协议.md
asahi 04bb5d26c7 阅读tcp/ip ip协议文档
2025-01-25 20:20:28 +08:00

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tcp/ip详解-协议

概述

四层协议系统

TCP/IP协议族通常被认作是四层协议系统，每层分别负责不同功能，由下到上分别为

  1. 链路层（数据链路层）
  2. 网络层：负责分组在网络中的活动，例如分组的选路等。网络层协议通常包含ip协议,icmp协议，igmp协议
  3. 传输层：负责在两台主机之间提供端到端的通信，tcp/ip协议族中，传输层协议有TCP和UDP
  4. 应用层：负责处理特定的协议细节

IGMP

IGMP为internet组管理协议，其用于将udp数据报广播到多个主机

ARP & RARP

ARP和RARP是某些网络接口使用的特殊协议，用于转换ip层和链路层所使用的地址。

ipv4地址

ipv4地址大小为4字节，其分类如下所示：

  • A类： 0~127.xxx.xxx.xxx (第一bit为0)
    • A类地址组成为0 + 7bit net id + 24bit host id
  • B类： 128~191.xxx.xxx.xxx (前两位bit为10)
    • B类地址组成为10 + 14bit net id + 24bit host id
  • C类: 192~223.xxx.xxx.xxx (前三位bit为110)
    • 110 + 21bit net id + 8bit host id
  • D类：224~239.xxx.xxx.xxx (前四位bit为1110)
    • 1110 + 28bit multicast group id
  • E类：240~255.xxx.xxx.xxx (前五位bit为11110)
    • 1111 + 28bit reserved for future use

协议层封装

当应用向网络中发送数据时，数据被送入协议栈中，从上到下，从应用层一直到数据链路层，每层协议都会为上一层提交的数据添加首部或尾部信息，并且将修改后的数据传递给下一层。

其中，个数据层叫法如下：

  • tcp传递给网络层的数据被称为tcp段（tcp segment）
  • 网络层传递给数据链路层的数据被称为ip数据报（ip datagram）
  • 通过以太网传输的数据流被称为帧（frame）

以太网数据帧

以太网数据帧，其以太网首部长度为14字节,尾部为4字节。

且数据帧的长度必须位于46字节~1500字节之间

packet

更确切说，ip传递给数据链路层的，是分组（packet），分组可能是ip数据报（ip datagram），也可能是ip数据报的一个片（fragment）

UDP datagram

UDP数据和TCP数据类似，UDP传递给IP的数据被称为UDP数据报（UDP datagram）。

UDP首部长度为8字节。

IP首部

除了TCP, UDP向IP传递数据外，ICMP和IGMP也会向IP传输数据，即使ICMP和IGMP和IP都位于网络层。

故而，IP首部中存在长度为8bit的范围，用于标识传递给ip的协议。该字段中，1表示ICMP，2表示IGMP，6表示TCP，17表示UDP。

TCP/UDP首部中的端口号

有很多程序都使用UDP/TCP来传递数据，故而，需要通过端口号来标识程序。

端口号长度为16bit，范围为0 ~ 65535，tcp和udp把源端口号和目标端口号存放在报文首部。

数据链路层标识传递数据的协议

类似于ip，网络接口不仅会被ip传递数据，ARP和RARP即使和网络接口一样位于数据链路层，但是仍然会向网络接口传递数据。故而，以太网帧的首部同样存在一个16bit的区域用于标识传递数据的协议。

分用

当目标主机接收到网络上传输到的数据时，会沿着协议栈至底向上传递。

在每层协议从下层协议接收到数据时，会去掉本层的首部/尾部。每层协议都会检查首部中的标识区域，用于判断上层协议，并将去掉首部/尾部后的数据传递给上层协议。这个过程被称之为分用。

各层协议其对应上层协议可能为：

  • 以太网网络接口：上层协议可能为ARP, RARP, IP
  • IP协议：上层协议可能为ICMP, IGMP, TCP, UDP
  • TCP, UDP: 上层可能为各种应用层序，通过来源ip、来源端口号、目标端口号进行判断

数据链路层

TCP/IP中以太网数据报的封装格式在RFC894中，IEEE 802网络的ip数据报则是封装在RFC 1042中。

对于Internet主机，必须要求：

  • 必须能接受和发送RFC 894封装格式的分组
  • 应该能接受RFC 894和RFC 1042封装格式的分组
  • 也许能发送RFC 1042封装格式的分组

RFC 894是最常被使用的封装格式，如下为两种格式的定义。

RFC 1042

目的物理地址(6字节) + 源物理地址(6字节) + 长度(2字节) + 802.2 LLC(3字节) + 802.2 SNAP(5字节) + 数据(38 ~ 1492字节) + CRC(4字节)

其中，字段含义如下：

  • 目的/源地址：目的/源地址均代表物理地址，长度均为6字节48bit
  • 长度: RFC 1042中长度代表长度字段后续不包含CRC的长度
  • CRC: CRC字段用于帧内字节差错的循环冗余校验，

RFC 894

目标物理地址(6字节) + 源物理地址(6字节) + 类型(2字节) + 数据(46 ~ 1500字节) + CRC(4字节)

其中，字段定义如下：

  • 类型：以太网帧中类型字段定义了被封装数据的协议类型：
    • 0800: 如果类型字段的值为0800，那么代表后续数据为IP数据报
    • 0806: 如果类型字段值为0806，那么代表后续数据为ARP请求/应答
    • 0835: 如果字段类型为0835，那么代表后续数据为RARP请求/应答

RFC 894和RFC 1042定义的帧必须有最小长度要求，RFC894要求数据长度至少为46字节，而RFC1042要求数据长度至少为38字节，为了保证被封装数据长度达到最小长度要求，必须在长度不足时向剩余空间填充pad字节。

环回接口

大多数产品都支持环回接口(loopback interface)，允许运行在同一台机器上的程序之间相互进行通信。在A类地址中，127开头的地址即是为环回端口预留。根据惯例，大多数系统把127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost。

一个传给loopback interface的ip数据包不能在任何网络上出现。

MTU

RFC 894和RFC 1042对数据帧长度有限制，数据部分长度最多不能超过1500和1492字节，该限制被称为最大传输单元（MTU）。

如果ip层需要传输一个大于MTU的数据报，那么该数据报需要被分片为若干片，令每一片都小于MTU限制的大小。

ip:网际协议

ip协议为tcp/ip中最为核心的协议，TPC/UDP/ICMP/IGMP数据都以ip数据报的形式进行发送。

IP协议特性

不可靠

ip协议是不可靠的，其并不保证传输的数据被成功送达目标端。如果在ip数据包发送途中，某个路由器暂时用完缓冲区，那么ip协议存在简单的错误处理算法：丢弃该ip数据报，并且向信源段发送ICMP消息报。

无连接(connectionless)

无连接代表ip数据报并不维护任何状态信息，每个数据报的处理是相互独立的。故而，ip数据报可以不按发送的顺序进行接收。

例如，发送端向接收端发送了两个连续的数据报（先发送A再发送B），每个数据报都会独立的进行路由选择，数据报B可能和数据报A选择不同的路线，故而数据报B可能在数据报A之前到达。

Ip首部

ip首部的格式如下所示：

首部各字段含义

版本

版本长度为4bit，代表ip协议版本号，ipv4场景下该值为4

首部长度

首部长度指首部占32bit字的数目，包括选项。首部长度占4bit，故而ip协议首部最长为(2^4-1) * (32/8) bytes = 15 * 4 bytes = 60bytes。

对于普通ip数据报（没有任何选项），其首部长度为20字节，故而首部长度的值为20 / 4 = 5。

服务类型（TOS）

TOS字段长度为8位，其组成如下：

  • 优先权子字段：3bit，现在会被忽略
  • TOS子字段：4bit
  • 未用位：1bit，该位目前没有被使用，但是必须置为0

TOS子字段其4bit分别代表如下含义：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用。其4bit中最多只能有一bit被置为1，如果4bit均位0，则代表是一般服务。

目前，绝大多数tcp/ip实现都不支持TOS特性.

总长度

总长度指整个ip数据报的长度，单位为字节。例如用首部长度和总长度字节，就能得知ip数据报中内容起始位置和长度。

总长度字段，其长度为16位，故而ip数据报最大长度为65535字节。但是，受数据链路层协议MTU影响，当ip数据报被分片时，总长度的值也会随着分片而变化。

而且，由于数据链路层协议拥有传输数据的最小长度限制（例如以太网协议其数据最小长度为46字节）。而ip数据报其长度可能小于46字节。

当ip数据报大小小于46字节时，以太网协议会对不足46字节的部分进行填充，故而，总长度字段能够实标识该数据报的实际大小，去除被以太网协议填充的字节。

标识

标识字段为16bit，其会唯一标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文，其值会加一。

标志字段和位偏移字段

标志字段和位偏移字段和分片操作有关，分别为3bit和13bit。

TTL

TTL字段设置了数据报可以经过的最多路由器个数，其指定了数据报的生存时间。TTL字段的长度为8bit。

TTL字段的初始值由源主机及逆行设置，通常为32或64。每当数据报经过一个路由器的处理，那么ttl字段的值就会减1。当ttl字段的值为1时，该数据报将会被丢弃，并发送ICMP报文来通知源主机。

协议

协议字段长度为8 bit，可以用于标识IP协议的上层协议。通过协议字段，可以实现对ip协议的分用。

首部校验和

首部校验和字段长度为16bit，其根据ip首部计算校验和码，并不对首部后的数据进行计算。

关于数据的校验和，其在上层TCP,UDP,ICMP,IGMP协议，协议首部中均含有同时覆盖首部和数据内容的校验和码。

在计算首部校验和时，首先将校验和字段设置为0，之后对首部中每个16bit字进行二进制反码求和，并将结果保存到校验和字段中。

接收方在接收到数据报后，会对首部每个16bit进行二进制反码求和，并且要求计算结果全为1。如果校验错误，那么ip协议会要求丢弃接收到的数据报，但是不生成差错报文，由上层协议发现丢失的报文并进行重传。

在路由器在针对ip报文进行转发时，通常需要将ip数据报的ttl减一，故而其需要对ip首部校验和的值进行增加(并不需要重算整个ip首部的校验和).

源ip地址和目标ip地址

每个ip数据报都包含源ip地址和目标ip地址，均为4字节32bit。

选项

最后，选项字段是一个可变长度的可选信息。这些选项很少被使用，也并非所有的主机和路由器都支持这些选项。

选项字段通常以32bit作为界限，在必要时候会填充0，保证ip首部长度始终为32bit（4字节）的整数倍。

ip路由选择

通常来说，当目标主机和源主机位于同一个子网内时，ip数据报可以直接发送到目标主机。但是，当目标主机和源主机跨网络通信时，源主机则是将ip数据报发送给默认路由器，并由路由器来转发该数据报。

IP发送数据报场景如下：

  • 从上层TCP, UDP, ICMP, IGMP中接收数据报并进行发送
  • 从一个网络接口接收数据报并进行发送（转发数据报）

ip层在内存中拥有一个路由表，当接收到数据报（从上层协议或从网络接口）时，会搜索该路由表，

  • 如果数据报来源为某个接口时，首先检查目标ip地址是否为本机ip地址之一或广播ip地址
    • 如果是，数据报则被送到ip首部中协议字段所定义的协议模块进行处理；
    • 如果不是上述地址之一，则处理逻辑如下
      • 如果ip层被设置为路由器功能，则对数据报进行转发
      • 如果ip层未被设置为路由器功能，则丢弃该数据报

故而未被设置为路由器功能的主机，在网络接口接收到ip数据报时，首先会判断该ip数据报是否目标地址为本机的ip或广播（ip数据报是否是发送给自己的）。如果是则传递给上层协议模块；如果不是则丢弃该ip数据报

路由表每一条记录都包含如下信息：

  • 目标ip地址：可以是主机地址，也可以是网络地址
  • 下一跳路由器的ip地址，或是位于直接相连网络中的ip地址
  • 标志：标识目的ip地址是主机还是网络
  • 指定数据报应该被传输给哪个网络接口（不同的网络接口连接不同的子网，路由表即使将指定ip地址的请求路由到指定的网络接口）

ip路由选择是逐跳（hop-by-hop）进行的。

ip路由选择主要执行如下逻辑：

  • 搜索ip路由表，找到能够和目的ip完全匹配的条目，如果能找到，发送
  • 搜索路由表，找到能与目的网络号匹配的条目，如果找到，发送
  • 搜索路由表，找到default条目，发送

如果上述尝试都失败，那么该数据报将无法被传达，会向生成数据报的应用程序发送主机不可达或网络不可达的错误。

子网

对于A类或B类地址，其分别能容纳2^24-2或2^16-2数量的主机，同一网络中并不需要这么多主机，故而通常会建立子网，将host id分割为子网号和主机号，示例如下。

组建子网示例

B类地址组建子网示例如下：

  • 网络号： 16位 （01 + 14bit）
  • 子网号：8位
  • 主机号：8位

上述示例中，将16bit host id中的8位划分给子网，8位划分给主机号，故而允许有254个子网和254台主机（全0或全1地址无效）。

在根据host id划分子网和主机位数时，并不要求以字节划分，故而，16位host id可以划分4bit给子网，12bit给主机，故而能拥有14个子网，每个子网最多拥有16382台主机

子网掩码

子网掩码用于标识host id中有多少bit用于子网号，有多少bit用于主机号。和ip地址类似，子网掩码也是32bit大小，含义如下：

  • 分配给net id和子网号的bit值为1
  • 分配给主机号的bit值为0

示例如下：

假设一个B类地址，172.19.23.153，其子网掩码为255,255.255.0，代表16bit的host id中，有8位被分配给子网，8位被分配给主机。

endianness

endianness代表字节在内存中的排列顺序，在不同计算机操作系统中，endianness可能有所不同。故而，在不同主机通过网络进行数据交换时，必须通过相同的endianness进行数据的发送和接收。

endianness通过存在两种格式：big endian和little endian:

  • big endian：首先存储MSB，即MSB位于内存地址较低的字节
  • little endian：首先存储LSB，即LSB位于内存地址较低的字节

big endian

在big endian system中， most significant byte（MSB）存储在内存的低位地址上。例如，对于32 bit的integer 0x12345678，其在big endian system中的存储顺序如下：

Address:   00   01   02   03
Data:         12   34   56   78

其中，0x12为MSB，存储在内存最低位地址00上，而0x78则是存储在最高位地址03上。

little endian

在little-endian system中，least significant byte（LSB）存储在内存的较低位地址上。例如，对于32 bit的integer0x12345678，其在little endian system中存储顺序如下：

Address:   00   01   02   03
Data:        78   56   34   12

其中，0x12位MSB，其存储在最高位地址上03上

MSB & LSB

MSB & LSB的概念可以参照如下十进制示例。

对于10进制数2984，将其个位修改为5会导致整体数值加1，而将千位2改为3则将导致整体数值增加1000，故而，可看作千位相较于个位more significant。

MSB和LSB的定义如下：

  • MSB: The byte that holds the highest position value
  • LSB: The byte that holds the lowest position value

网络字节传输顺序

网络字节传输中，通常都按照big endian字节序来进行传输。

操作系统中，unbuntu和windows都采用little endian。