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:

posted @ 2019-12-01 11:08  zhengcixi  阅读(6745)  评论(0编辑  收藏  举报
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