分类： 系统运维
2009-02-28 17:11:07
一、前言
目前，网络的速度发展非常快，学习网络的人也越来越多，稍有网络常识的人都知道TCP/IP协议是网络的基础，是Internet的语言，可以说没有TCP/IP协议就没有互联网的今天。
目前号称搞网的人非常多，许多人就是从一把夹线钳，一个测线器联网开始接触网络的，如果只是联网玩玩，知道几个Ping之类的命令就行了，如果想在网络上有更多的发展不管是黑道还是红道，必须要把TCP/IP协议搞的非常明白。
学习过TCP/IP协议的人多有一种感觉，这东西太抽象了，没有什么数据实例，看完不久就忘了。本文将介绍一种直观的学习方法，利用协议分析工具学习TCP/IP，在学习的过程中能直观的看到数据的具体传输过程。
为了初学者更容易理解，本文将搭建一个最简单的网络环境，不包含子网。
二、试验环境
1、网络环境
如图1所示
| 图１ |
为了表述方便，下文中208号机即指地址为192.168.113.208的计算机，1号机指地址为192.168.113.1的计算机。
2、操作系统
两台机器都为Windows 2000 ，1号机机器作为服务器，安装FTP服务
3、协议分析工具
Windows环境下常用的工具有：Sniffer Pro、Natxray、Iris以及windows 2000自带的网络监视器等。本文选用Iris作为协议分析工具。
在客户机208号机安装IRIS软件。
三、测试过程
1、测试例子：将1号机计算机中的一个文件通过FTP下载到208号机中。
2、IRIS的设置。
由于IRIS具有网络监听的功能，如果网络环境中还有其它的机器将抓很多别的数据包，这样为学习带来诸多不便，为了清楚地看清楚上述例子的传输过程首先将IRIS设置为只抓208号机和1号机之间的数据包。设置过程如下：
1)用热键CTRL+B弹出如图所示的地址表，在表中填写机器的IP地址，为了对抓的包看得更清楚不要添主机的名字（name）,设置好后关闭此窗口。
| 图２ |
| 图３ |
3、抓包
按下IRIS工具栏中 开始按钮。在浏览器中输入：，找到要下载的文件 ，鼠标右键该文件，在弹出的菜单中选择“复制到文件夹”开始下载，下载完后在IRIS工具栏中按 按钮停止抓包。图4显示的就是FTP的整个过程，下面我们将详细分析这个过程。
| 图４ |
说明：为了能抓到ARP协议的包，在WINDOWS 2000 中运行arp –d 清除arp缓存。
四、过程分析
1、TCP/IP的基本原理
本文的重点虽然是根据实例来解析TCP/IP，但要讲明白下面的过程必须简要讲一下TCP/IP的基本原理。
A．网络是分层的，每一层分别负责不同的通信功能。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP和IP只是其中的两种协议而已，如表1所示。每一层负责不同的功能：
| 表1 |
分层的概念说起来非常简单，但在实际的应用中非常的重要，在进行网络设置和排除故障时对网络层次理解得很透，将对工作有很大的帮助。例如：设置路由是网络层IP协议的事，要查找MAC地址是链路层ARP的事，常用的Ping命令由ICMP协议来做的。
图5显示了各层协议的关系，理解它们之间的关系对下面的协议分析非常重要。
| 图5 |
b.数据发送时是自上而下，层层加码；数据接收时是自下而上，层层解码。
当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），该过程如图6所示。TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段。I P传给网络接口层的数据单元称作IP数据报。 通过以太网传输的比特流称作帧(Frame)。
数据发送时是按照图6自上而下，层层加码；数据接收时是自下而上，层层解码。
| 图6 |
c. 逻辑上通讯是在同级完成的
垂直方向的结构层次是当今普遍认可的数据处理的功能流程。每一层都有与其相邻层的接口。为了通信，两个系统必须在各层之间传递数据、指令、地址等信息，通信的逻辑流程与真正的数据流的不同。虽然通信流程垂直通过各层次，但每一层都在逻辑上能够直接与远程计算机系统的相应层直接通信。
从图7可以看出，通讯实际上是按垂直方向进行的，但在逻辑上通信是在同级进行的。
| 图7 |
2、过程描述
为了更好的分析协议，我们先描述一下上述例子数据的传输步骤。如图8所示：
1)FTP客户端请求TCP用服务器的IP地址建立连接。
2)TCP发送一个连接请求分段到远端的主机，即用上述IP地址发送一份IP数据报。
3) 如果目的主机在本地网络上，那么IP数据报可以直接送到目的主机上。如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过IP选路函数来确定位于本地网络上的下一站路由器地址，并让它转发IP数据报。在这两种情况下，IP数据报都是被送到位于本地网络上的一台主机或路由器。
4) 本例是一个以太网，那么发送端主机必须把32位的IP地址变换成48位的以太网地址，该地址也称为MAC地址，它是出厂时写到网卡上的世界唯一的硬件地址。把IP地址翻译到对应的MAC地址是由ARP协议完成的。
5) 如图的虚线所示，ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，这个过程称作广播。ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。”
6) 目的主机的ARP层收到这份广播后，识别出这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。这个ARP应答包含I P地址及对应的硬件地址。
7) 收到ARP应答后，使ARP进行请求—应答交换的IP数据包现在就可以传送了。
8) 发送IP数据报到目的主机。
| 图8 |
3、实例分析
下面通过分析用iris捕获的包来分析一下TCP/IP的工作过程，为了更清晰的解释数据传送的过程，我们按传输的不同阶段抓了四组数据，分别是查找服务器、建立连接、数据传输和终止连接。每组数据，按下面三步进行解释。
显示数据包
解释该数据包
按层分析该包的头信息
第一组 查找服务器
1）下图显示的是1、2行的数据
| 图9 |
2）解释数据包
这两行数据就是查找服务器及服务器应答的过程。
在第1行中，源端主机的MAC地址是00:50:FC:22:C7:BE。目的端主机的MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，这个地址是十六进制表示的，F换算为二进制就是1111，全1的地址就是广播地址。所谓广播就是向本网上的每台网络设备发送信息，电缆上的每个以太网接口都要接收这个数据帧并对它进行处理，这一行反映的是步骤5）的内容，ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。网内的每个网卡都接到这样的信息“谁是192.168.113.1的IP地址的拥有者，请将你的硬件地址告诉我”。
第2行反映的是步骤6）的内容。在同一个以太网中的每台机器都会"接收"到这个报文，但正常状态下除了1号机外其他主机应该会忽略这个报文，而1号的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。告知自己的IP地址和MAC地址。第2行可以清楚的看出1号回答的信息__自己的MAC地址00:50:FC:22:C7:BE。
这两行反映的是数据链路层之间一问一答的通信过程。这个过程就像我要在一个坐满人的教室找一个叫“张三”的人，在门口喊了一声“张三”，这一声大家都听见了，这就叫广播。张三听到后做了回应，别人听到了没做回应，这样就与张三取得了联系。
3）头信息分析
如下图左栏所示，第1数据包包含了两个头信息：以太网（Ethernet）和ARP。
| 图10 |
下表2是以太网的头信息，括号内的数均为该字段所占字节数，以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全1的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0806。
第2行中可以看到，尽管ARP请求是广播的，但是ARP应答的目的地址却是1号机的（00 50 FC 22 C7 BE）。ARP应答是直接送到请求端主机的。
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下表3是ARP协议的头信息。硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为1即表示以太网地址。协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为0800即表示IP地址。它的值与包含I P数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同。接下来的两个1字节的字段，硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4。Op即操作（Opoperation），1是ARP请求、2是ARP应答、3是RARP请求和4为RARP应答，第二行中该字段值为2表示应答。接下来的四个字段是发送端的硬件地址、发送端的IP地址、目的端的硬件地址和目的端IP地址。注意，这里有一些重复信息：在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。对于一个ARP请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。
表3的第2行为应答，当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2，最后把它发送回去。
| 表3 |
第二组 建立连接
1）下图显示的是3-5行的数据
| 图11 |
2）解释数据包
这三行数据是两机建立连接的过程。
这三行的核心意思就是TCP协议的三次握手。TCP的数据包是靠IP协议来传输的。但IP协议是只管把数据送到出去，但不能保证IP数据报能成功地到达目的地，保证数据的可靠传输是靠TCP协议来完成的。当接收端收到来自发送端的信息时，接受端详发送短发送一条应答信息，意思是：“我已收到你的信息了。”第三组数据将能看到这个过程。TCP是一个面向连接的协议。无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。建立连接的过程就是三次握手的过程。
这个过程就像要我找到了张三向他借几本书，第一步：我说：“你好，我是担子”，第二步：张三说：“你好，我是张三”，第三步：我说：“我找你借几本书。”这样通过问答就确认对方身份，建立了联系。
下面来分析一下此例的三次握手过程。
1))请求端208号机发送一个初始序号（SEQ）987694419给1号机。
2))服务器1号机收到这个序号后，将此序号加1值为987694419作为应答信号（ACK），同时随机产生一个初始序号（SEQ）1773195208，这两个信号同时发回到请求端208号机，意思为：“消息已收到，让我们的数据流以1773195208这个数开始。”
3))请求端208号机收到后将确认序号设置为服务器的初始序号（SEQ）1773195208加1为1773195209作为应答信号。
以上三步完成了三次握手，双方建立了一条通道，接下来就可以进行数据传输了。
下面分析TCP头信息就可以看出，在握手过程中TCP头部的相关字段也发生了变化。
3）头信息分析
如图12所示，第3数据包包含了三头信息：以太网（Ethernet）和IP和TCP。
头信息少了ARP多了IP、TCP，下面的过程也没有ARP的参与，可以这样理解，在局域网内，ARP负责的是在众多联网的计算机中找到需要找的计算机，找到工作就完成了。
以太网的头信息与第1、2行不同的是帧类型为0800，指明该帧类型为IP。
| 图12 |
