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
[code lang="c" light="true"]
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 */
};
[/code]
- 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，每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
[code lang="c" light="true"]
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;
};
[/code]
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
[code lang="c" light="true"]
struct udphdr {
u_int16_t source;
u_int16_t dest;
u_int16_t len;
u_int16_t check;
};
[/code]
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
[code lang="c" light="true"]
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;
};
[/code]
- 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。