UDP千兆网之TCP/IP协议基础
一、TCP/IP 协议简介
TCP/IP 四层模型分为应用层（Telnet、FTP、SMTP）、传输层（TCP、UDP）、网络层（IP、ARP、ICMP）、数据链路层（MAC、设备驱动）。
数据链路层：又称链路层或网络接口层，是实际网络硬件的接口。包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。定义了如何使用具体网络（如ETH）来传输数据，定义了将数据组成正确帧的规范和在网络中传输帧的规范。帧是指一串数据，它是数据在网络中的传输单位。
网络层：也称互联网层，处理分组在网络中的活动，如分组的路由等。网络层提供了互联网的“虚拟网络镜像”。本层定义了网络中传输的“信息包”的格式，以及从一个终端到达另一个终端的路由转发机制。它负责对数据包进行封装和传输，让每个数据包都能到达目的主机（但不能保证被正确接收）。网络层协议包括IP（网际协议）、ICMP（互联网控制报文协议）、IGMP（互联网组管理协议）、ARP（地址解析协议）、RARP（逆向地址解析协议）等协议。
传输层：为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层提供了两种不同的传输服务：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP协议是面向连接的，可以提供可靠的数据传输服务，UDP协议是无连接的传输协议，可靠性只能由上层应用保证。
应用层：定义了应用程序使用互联网的规范，负责处理特定的应用程序细节。
二、TCP/IP 协议通信过程
当主机A的应用程序需要发送数据给主机B时，将需要传输的数据包送入TCP/IP 协议栈进行处理。首先用户数据在传输层进行打包，然后将打包后的传输层报文送给网络层。网络层对传输层的数据包进行打包（添加网络层首部信息），然后将网络层报文（IP数据包）送给数据链路层。数据链路层对IP数据包添加以太网首部和尾部信息，然后送给物理层通过网络发送出去。打包过程如下：
三、数据链路层
数据链路层处于TCP/IP 协议参考模型的最底层，在TCP/IP协议簇中，链路层主要有三个目的：（1）发送和接收IP数据包（2）发送ARP请求和接收ARP应答（3）发送RARP请求和接收RARP应答。主要负责把上层送来的数据包打包并通过特定的网络发送出去，或者对从网络上接收来的数据包进行解包并校验，然后交给上层。
数据链路层一般可再细分为介质访问控制子层 MAC 和逻辑链路控制子层LLC。MAC 子层的协议实现一般由 MAC 接口芯片来完成；而 LLC 子层的实现一般是由网络接口芯片的驱动程序来完成的。其中 MAC 位于 LLC 和物理层之间，使 LLC 适用于不同的媒体访问技术和物理媒体。MAC 单独作为一个子层，就不会因为媒体访问方法的改变而影响到较高层的协议。
以太网协议是数字设备公司（Digital Equipment Corporation）、英特尔公司（Intel Corporation）和 Xerox 公司在 1982 年联合公布的标准。它采用一种称为CSMA/CD 的媒体接入方法，即带冲突检测的载波侦听多路接入（Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection）技术。目前支持的速率有10/100/1000 Mbps。以太网的帧格式如下图所示：
前导码（Preamble）：为实现底层数据的正确阐述，物理层使用7个字节同步码（0和1交替（55-55-55-55-55-55-55））实现数据的同步。
帧起始界定符（SFD，Start Frame Delimiter）：使用1个字节的SFD（固定值0xD5）来表示一帧的开始。
目的MAC地址：接收端物理MAC地址，占用6个字节。MAC地址从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址：第一个字节的最低位为0，比如00-00-00-11-11-11，引用由标志唯一的设备；组播地址：第一个字节的最低位为1，比如01-00-00-11-11-11，一般用于标志同属一组的多个设备；广播地址：所有48bit全为1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，用于标志同一网段中的所有设备。
源MAC地址：即发送端物理MAC地址，占用6个字节。
长度/类型：当这两个字节的值小于1536（十六进制为0x0600）时，代表该以太网中数据段的长度；大于1536，则表示该以太网中的数据属于哪个上层协议，0x0800代表IP数据包（网际协议）、0x0806代表ARP数据包（地址解析协议）、0x8035表示RARP数据包等。
数据：以太网中的数据段长度最小46个字节，最大1500个字节。最大值1500成为以太网的最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit）。
帧检验序列（FCS，Frame Check Sequence）：为了确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了4个字节的循环荣誉校验码（CRC校验）来检测数据是否传输错误。CRC数据校验从以太网帧头开始不包括前导码和帧起始界定符。通用的CRC标准有CRC-8、CRC-16、CRC32、CRC-CCIT，其中应用最广泛的是CRC32标准。
以太网相邻两帧之间的时间间隔，即帧间隙（IFG，Interpacket Gap）。帧间隙的时间就是网络设备和组件在接收一帧之后，需要短暂的时间来恢复并未下一帧做准备的时间，IFG的最小值是96bit time，即在媒介中发送96位原始数据所需要的时间，在不同媒介中IFG的最小值是不一样的。
10Mbit/s：96*100ns = 9600ns
100Mbit/s：96*10ns = 960ns
1000Mbit/s：96*1ns = 96ns
四、网络层协议
网络层协议主要包括IP、ICMP、ARP等。最核心的是IP协议，所有传输层报文、ICMP报文、IGMP报文都以IP数据报格式传输。网络层为传输层数据提供传输、路由及控制报文生成等服务。
IP协议
IP协议的主要功能是无连接数据包传输、数据包路由、差错处理等。当发送错误时，IP协议会丢弃该数据，然后发送ICMP消息给发送端。
一般情况下IP首部长为20个字节，最高位在左边，记为0bit；最低位在右边，记为31bit。4个字节的32bit值传输次序：首先是0-7bit，其次8-15bit，然后16-23bit，最后是24-31bit。
IP数据报首部各字段的含义如下：
版本号（Version）：4bit，目前常用的协议版本号是4（IPv4）。
首部长度（IHL，Internet Header Length）：指IP数据报首部有多少个32bit，包括选项字段。占用4bit，首部长度最大为60个字节。在没有任何选项的情况下，这个字段的值是5。
服务类型（TOS，Type of service）：占8bit，包括一个3bit上午优先权子字段（现在已被忽略），4bit的TOS子字段和1bit未用位（置0）。4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中1bit。如果所有4bit均为0，即一般服务。目前大多数的TCP/IP协议栈的实现都不支持TOS特性。
总长度（Total Length）：指整个IP数据报的长度（包括首部），以字节为单位。由于该字段占16bit，所以IP数据报的最大长度为65535。理论上IP数据报长度可达65535，但由于链路层一般都有做一个最大传输单元（MTU）的限制，一般都会对长度大于MTU的数据包进行分片以适合进行网络传输，分片后总长度字段会自行更新。总长度字段是必不可少的，因为一些数据报为了满足链路层的最小帧长要求，可能会在有效数据后面添加填充码，这样在接收到有填充码的数据报时，需要根据总长度字段提取出有效字段。
标识（Identification）：占16bit，用来标识主机发送的每一个数据报。通常每发送一个报文它的值就加1。这个字段在对数据报进行分片和重组时有非常重要的作用。
标志和片偏移（Flags、Fragment Offset）：占16bit，前3bit时标志，后面13bit是片偏移。子结构如下：
| 未用 |
DF |
M |
13位片偏移 |
DF（Don’t Fragment）位是不分片标志，DF=1，指示不能对数据报分片；DF=0，指示可以分片。M位标识该分片是否原来数据报的最后一片，M=1指示该分片不是最后一个分片；M=0指示为最后一个分片。后面13bit指示了该分片在原始数据报中的所处位置的偏移量。
生存周期（TTL，Time to Live）：占8bit，是一个用来限制数据报生存周期的计数器。一般一个数据报经过一个路由器，该字段就减1。当TTL字段为0时，路由器就会丢弃该数据报，并发送一个错误信息给源端。
协议（Protocol）：占8bit，标识具体传输层协议，如TCP或UDP等。该域时6表示TCP协议；17表示UDP协议；1表示ICMP协议（ICMP协议不属于传输层协议，但是也被封装在IP数据报中传输）。
IP首部校验和（Header Checksum）：占用16bit，用来确保数据的正确性。该校验和的计算是通过将首部按16bit相加（首先将该字段置0），超出16bit的部分再与低16bit相加，最后将结果取反码后放入该字段。由于IP首部总长度、TTL等这些字段在传输的过程中可能发生变化，所以任何一个字段发生变化，校验和都需要重新计算。
源IP地址（Source Address）：32bit源IP地址，即发送端的IP地址。
目的IP地址（Destination Address）：32bit目的IP地址，即接收端的IP地址。
可选字段：主要用来进行网络测试，该字段是变长的，定义了5中选项：安全性、严格源路由选择、宽松源路由选择、路由记录、时间标记。以32bit为界，不足时插入值为0的填充字节，保证IP首部是32bit的整数倍。
ARP协议
发送数据时只知道目的主机的IP地址并不知道它的硬件地址。链路层要发送数据时，首先搜索ARP高速缓存，如果其中没有对应的映射记录，就会发送一个ARP请求，接收到该请求的机器检查数据包中目的IP地址，若与自身的IP地址匹配，就会回复一个ARP应答，本地主机接收到这个应答包后就可以知道目的主机的硬件地址，然后就可以发送数据。同时还会更新本机的ARP高速缓存。ARP数据报格式如下：
| 以太网首部 |
硬件类型
|
协议类型
|
硬件地址长度 |
协议地址长度 |
操作码 |
发送端以太网地址 |
发送端IP地址 |
目的端以太网地址 |
目的端IP地址 |
| 2 |
2 |
1 |
1 |
2 |
6 |
4 |
6 |
4 |
|
| ARP请求/应答（28字节） |
|||||||||
以太网目的地址全是广播地址，例如发送ARP请求时以太网目的地址就是广播地址。
硬件类型字段标识硬件地址的类型。值为1标识以太网地址。协议类型标识要映射的协议类型。值0x0800表示IP协议。它的值与包含IP数据报的以太网数据帧中的类型字段相同。
硬件地址长度：对于以太网上IP地址的ARP应答或请求，值为6。
协议地址长度：对于以太网上IP地址的ARP应答或请求，值为4。
操作码字段表示四种操作类型：ARP请求（值为1）、ARP应答（值为2）、RARP请求（值为3）、RARP应答（值为4）。
RARP协议报文格式与ARP基本一致。主要差别是RARP请求或应答的帧类型字段为0x8035，操作码字段RARP请求时3，RARP应答是4。
ICMP协议
数据包在传输过程中可能要经过多个路由器，如果路由器不能转发或检测到一个不正常的状态，路由器就要向源端报告，以便采取措施避免或解决问题。ICMP协议就提供了这种机制，它主要包含下列几种类型的消息：
目的不可达消息用来报告子网或者路由器没有找到目的地，或者设置了DF标志的数据报不能通过MTU小的网络。
超时消息用来报告分组由于TTL为0而被丢弃。
参数问题消息表明首部字段不正确，可能是发送主机或路由器软件有问题。
源抑制消息希望发送端主机能够降低发送速率。
重定向消息在路由器发现可能出现路由错误时发送。
回显请求和应答消息用来测试目的地是否可达并且正常工作。
时间戳请求和应答与回显请求消息类似，只要是记录消息到达和发出的时间，用于测试网络性能。
五、传输层协议
传输层协议有UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议）。
UDP协议是一个简单的面向数据报的传输层协议，提供不可靠的传输层服务。只负责将应用数据打包交给网络层，但是不保证数据报能正确到达，所以需要应用程序来保证其可靠性。UDP数据报格式如下：
端口号用来标识发送进程和接收进程。UDP根据目的端口号来决定将接收到的数据交给哪个应用进程。
UDP长度字段指示整个UDP数据报的长度，包括UDP首部和数据。由于UDP首部长度是8字节，所以UDP长度字段最小为8（无数据时）。UDP长度是有冗余的，IP数据报首部的总长度字段包括IP首部和数据，因此这个数据报长度可以用IP总长度减去IP首部长度。
UDP校验和是一个端到端的校验和。由发送端计算，然后由接收端验证。目的是检查数据在传输过程中是否被改变。这个字段是可选的，但应该总被使用。如果发送的数据报的校验和为0，则说明发送端没有计算校验和。
UDP校验和覆盖UDP首部和数据。UDP数据报的长度可以是奇数字节，但是校验和算法是把若干个16bit相加。解决方法是必要时在最后增加填充字节0，这只是为了校验和的计算（可能增加的填充字节不被传输）。其次，UDP数据报校验和的计算包含一个12字节长的伪首部，它是为了计算校验和而设置的。伪首部的数据是从IP数据报头和UDP数据报头获取的，包括源IP地址（4字节），目的IP地址（4字节），协议类型（2字节）和UDP长度（2字节），其目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地，姿势单纯为了做校验用的。在大多数场景下接收端并不检测UDP检验和。
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