TCP/IP学习笔记——第一部分

一、 TCP/IP结构
TCP/IP是一个四层协议,结构如下:
1、应用层:各种应用程序和协议,如Http、FTP等。
2、传输层:TCP和UDP
TCP提供一种可靠的运输层服务,但UDP是不可靠的,不能保证数据报到正确到达目的地。
3、网络层:IP、IGMP、ICMP
IP提供的是一种不可靠的服务,也就是尽可能块地把分组从源节点送到目的节点,但并
不提供任何可靠性保证。ICMP是IP的附属协议,主要用来交换错误报文,IGMP是组管理协议,用来将UDP数据报多播到多个主机。
4、链路层:设备驱动程序和网卡等

二、 IP地址和子网掩码
要学习TCP/IP协议,首先要提到的是IP地址。每台主机的IP地址是一个32位的二进制数。每个IP地址被分割位两部分:前缀和后缀。前缀用来确定计 算机从属的物理网络,后缀用来确定网络上单独的计算机。互联网上每一个物理网络都有一个唯一的值作为网络号,该网络号必须全球一致。

1、IP地址分类:
IP地址分位五类:A类、B类、C类、D类、E类,其中A类、B类和C类为基本类,D类用于多播,E类属于保留类,现在不用。它们的格式如下(其中*代表网络号):
A类:0******* XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
B类:10****** ******** XXXXXXXX XXXXXXXX
C类:110***** ******** ******** XXXXXXXX
D类:1110**** XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
E类:1111**** XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX

这样,A类地址的范围为:0.0.0.0-127.255.255.255
B类地址的范围为:128.0.0.0-191.255.255.255
C类地址的范围为:192.0.0.0-223.255.255.255
D类地址的范围为:224.0.0.0-239.255.255.255
E类地址的范围为:240.0.0.0-247.255.255.266
◆ 几个特殊IP地址
网络地址:IP地址中主机地址全为0的地址,如128.211.0.0。
广播地址:IP地址中主机地址全为1的地址,如128.211.255.255。
环回地址:127.0.0.1,主要用于测试。

2、子网掩码:
现在的主机都要求支持子网掩码,不再把IP地址看成为由单纯的一个网络号和一个主机号组成,而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。例如一个B类地址 (140.252),在剩下的16位中,8位用于子网号,8位用于主机号,这样就允许254个子网,每个子网就可以有254台主机。为了确定多少位用于子 网号,多少位用于主机号,这就要用到子网掩码了。其中值为1的位留给网络号和子网号,为0的位留给主机号。

三、 数据包的封装和分用(解封装)
1、 封装:
应用程序→TCP/UDP→IP→以太网
2、 分用:
以太网→IP→TCP/UDP→应用程序

以太网首部(14) IP首部(20) TCP首部(20) 应用数据 以太网尾部(4)

四、 IP首部
IP协议是TCP/IP协议族中最核心的协议,所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP传输的两个特点:不可靠和无连接。IP协议并不保证数据报能成功地到达目的地,也不维护后续数据报的状态信息。必须由上层协议处理。

4位版本 4位首部
长度
8位服务类型 16位总长度(字节数)
16位标识 3位标志 13位片偏移
8位TTL 8位协议 16位首部检验和
32位源IP地址
32位目的IP地址

IP首部定义:

typedef struct ip_hdr
{
unsigned char ip_verlen; // 4-bit 版本号
// 4-bit 首部长度 (in 32-bit words)
unsigned char ip_tos; // IP 服务类型
unsigned short ip_totallength; // 总长度(字节数)
//第一个32位
unsigned short ip_id; // 标识
unsigned short ip_offset; //3位标志,13位分片偏移,
#define IP_DF 0x4000 //0x4000 don''t fragment flag
#define IP_MF 0x2000 //0x2000 more fragment flag
#define IP_OFFMASK 0x1fff //0x1fff mask for fragmenting bits
//第二个32位
unsigned char ip_ttl; // 生存时间
unsigned char ip_protocol; // 上层协议
unsigned short ip_checksum; // 首部检验和
//第三个32位
unsigned int ip_srcaddr; // 源IP地址
//第四个32位
unsigned int ip_destaddr; // 目的IP地址
//第五个32位
} ip,IPV4_HDR, *PIPV4_HDR, FAR * LPIPV4_HDR;

说明:ip_verlen前4位目前为4,表示为IPv4,后4位为5,表示首部长度为5X4=20个字节。
ip_tos为服务类型(type of service),aaabbbbc,aaa为优先权子字段,现在已被忽略,bbbb为TOS子字段,代表:最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费 用,c未使用必须为0。如果bbbb均为0,则表示为一般服务。目前大多数TCP/IP实现都不支持TOS特性。
ip_totallength为IP数据报的总长度,以字节为单位,因此理论最大值为65535,但实际是不可能的。
ip_id为唯一标识主机发送的每一个数据报,通常每发一份它的值就会加1。
ip_off前3位标志abc,a为保留,必须为0,b为不分片标志,c为更多分片标志。
ip_off后13位为分片位置,以8字节为单位计算。因此,除最后一个分片外,其他每个分片都希望是一个8字节倍数的数据,从而使后面的分片从8字节边界开始。
ip_ttl为IP报的生存周期,每经过一个路由器就减1,如果该字段为0,则该数据报被丢弃。
ip_protocol:1=ICMP,2=IGMP,3=TCP,17=UDP
ip_checksum为数据报的首部检验和。计算方法如下:

USHORT checksum(ip *ip, int size)
{
unsigned long cksum=0;
while (size > 1)
{
cksum += * ((USHORT*)ip )++;
size -= sizeof(USHORT);
}
if (size)
{
cksum +=(USHORT) *(UCHAR*)ip;
}
cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
cksum += (cksum >>16);
return (USHORT)(~cksum);
}

ICMP、IGMP、TCP和UDP协议也采用相同的检验和算法。

五、 端口号
TCP/UDP都使用一个16bit地端口号来表示不同地程序。
1、 知名端口:一般介于1~255之间,例如:FTP的TCP端口号是21。
2、 临时端口,由于客户端对端口号一般并不关心,只需保证唯一就可以了,所以系统一般分配临时端口号。

六、 链路层:(以以太网为例,地址为48bit)
1、 链路层的功能:
◆ 为IP模块发送和接收IP数据报
◆ 为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答
◆ 为RARP模块发送RARP请求和接收RARP应答
2、 以太网的封装,以太网IP数据报的封装在RFC 894中定义的:

目的地址(6) 源地址(6) 类型(2) 数据(46-1500),包括IP、ARP、RARP CRC(4)

对于ARP和RARP请求/应答数据报大小只有28字节,为了达到46字节的最小长度,必须在后面添加18字节的填充字节。

七、 环回地址
一般把127.0.0.1分配给这个接口,并命名为localhost,一个发给环回接口的IP数据报不能在任何网络上出现。
1、 传给环回地址的任何数据均作为IP输入。
2、 传给广播地址和多播地址的数据报复制一份传给环回接口,然后送到以太网上。
3、 任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。

八、 最大传输单元MTU
以太网对数据帧的长度都有限制,其最大值为1500。链路层的这个特性叫做最大传输单元MTU。如果一个IP数据报比MTU大,那IP层就必须进行分片, 把数据报分为若干片。如果两台主机间的通信要通过多个网络时,那么每个网络的链路层可能有不同的MTU。重要的不是两台主机所在网络的MTU,重要的是两 台主机路径中的最小MTU,它被成为路径MTU。

九、 IP路由选择
如果目的主机与源主机直接相连或都在一个共享网络上,那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则主机就会把数据报发送到一个默认的路由器上,由该路由器来 转发该数据报。IP层在内存中有一个路由表,当收到一份数据报并进行发送时,它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时,IP首先检查目的IP地 址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果是这样,数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理,否则如果IP层被设置为路由器的 功能,那么就对数据报进行转发,否则丢弃数据报。
我们来看看路由表是什么:

C:\WINNT\system32>route PRINT
==========================================================================
Interface List
0x1 ……………………… MS TCP Loopback interface
0x1000003 …00 08 02 ca 2d 11 …… Intel 8255x-based Integrated Fast Ethernet

==========================================================================
Active Routes:
Network Destination   Netmask       Gateway     Interface    Metric
目的地            掩码                网关            主机
0.0.0.0         0.0.0.0            192.1.8.26      192.1.8.84    1
127.0.0.0       255.0.0.0          127.0.0.1       127.0.0.1     1
192.1.8.0       255.255.255.0      192.1.8.84      192.1.8.84    1
192.1.8.84      255.255.255.255    127.0.0.1       127.0.0.1     1
192.1.8.255     255.255.255.255    192.1.8.84      192.1.8.84    1
224.0.0.0       224.0.0.0          192.1.8.84      192.1.8.84    1
255.255.255.255 255.255.255.255    192.1.8.84      192.1.8.84 1
Default Gateway: 192.1.8.26
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IP路由的主要功能:
1、搜索路由表,寻找与目的IP地址完全匹配的表目,如果找到,则将数据报发给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。
2、搜索路由表,寻找能与目的网络号相匹配的表目,如果找到,则将数据报发给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。

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