Linux网络编程--7. TCP/IP协议

你也许听说过TCP/IP协议,那么你知道到底什么是TCP,什么是IP吗?在这一章里面,我们一起来学习这个目前网络上用最广泛的协议. 


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 

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.没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.