IP、UDP初探

级别：★★☆☆☆
标签：「IP首部」「UDP首部」「UDP」
作者： WYW
审校： QiShare团队

笔者最近了解了一下Python相关的内容，发现网络编程部分非常容易能够创建一个UDP本地服务器，正好可以用来分析一下UDP的请求和响应。在本篇文章中，笔者将给大家介绍下IP、UDP的部分内容。

OSI、IP、UDP 简介

聊到网络协议，我们常常会想到OSI（Open System Interconnection 开放式系统互联）七层模型、TCP/IP协议簇，她位于OSI、TCP/IP协议簇哪一层等问题。

如下图OSI七层模型及对应的TCP/IP协议簇所示。

UDP（User Datagram Protocol 用户数据报协议）位于OSI中的第四层（传输层）。位于TCP/IP协议簇中的第四层（TCP or UDP）。
IP（Internet Protocol 网络协议）OSI中的第三层（网络层），位于TCP/IP协议簇中的第三层（IP）。

下图是OSI七层模型及对应的TCP/IP 协议簇

OSI TCP/IP Family

User Datagram Protocol (UDP)

UDP is also a transport-layer protocol and is an alternative to TCP. It provides an unreliable datagram connection between applications. Data is transmitted link by link; there is no end-to-end connection. The service provides no guarantees. Data can be lost or duplicated, and datagrams can arrive out of order.

UDP也是传输层协议，是TCP的替代方案。它在应用程序之间提供不可靠的数据报连接。数据通过链接传输; 没有端到端的连接。（这里我的理解是不需要建立连接）该服务不保证可靠传输。数据可能丢失或重复，数据报可能无序到达。

Internet Protocol (IP)

In terms of the OSI model, IP is a network-layer protocol. It provides a datagram service between applications, supporting both TCP and UDP.

在OSI模型的中，IP是网络层协议。它在应用程序之间提供数据报服务，支持TCP和UDP。

IP数据包首部及UDP首部

IP数据包首部格式

UDP数据包首部格式

创建本地UDP服务器、客户端

笔者在前文提到了要用Python创建一个本地UDP服务器，并且分析UDP的请求及响应过程。这里笔者使用的是PythonIDE、Mac自带的终端简单创建了一个本地UDP服务端和客户端；

请求响应过程为：
-> 启动服务端
-> 启动客户端和服务端建立连接
-> 客户端向服务端发送数据'A'
-> 服务端收到数据向客户端发送'ABCD'。
-> 使用Wireshark对整个请求响应过程进行数据分析。

所用的Python代码如下：

Python IDE作为服务端使用如下代码，UDP服务端代码：

Python 3.7.1 (v3.7.1:260ec2c36a, Oct 20 2018, 03:13:28) 
[Clang 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license()" for more information.
>>> from socketserver import BaseRequestHandler, UDPServer
>>> class handleRequest(BaseRequestHandler):
    def handle(self):
        print('Got connection from', self.client_address)
        msg, sock = self.request
        print('RequestMessage:',msg)
        resp = 'ABCD'
        print('Response:',resp)
        sock.sendto(resp.encode('ascii'), self.client_address)

        
>>> if __name__ == '__main__':
    serv = UDPServer(('', 20000), handleRequest)
    serv.serve_forever()

终端作为客户端，使用如下代码，UDP客户端代码：

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM
s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
s.sendto('A', ('localhost', 20000))

示意图如下：

UDP Server Client

抓包并进行分析

笔者结合着IP和UDP的首部示意图，及Wireshark的请求及响应进行了如下分析：

在分析数据传输过程之前，笔者先对下边会用到的名词及工具做个简单说明：

字节即byte，比特即bit，1个字节（byte）=8个比特（bit）。
ASCII码：是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统。ASCII码对照表
举个例子'A'的ASCII码为0x41
基本的16进制、2进制、10进制之间的转换：
-> 16进制0x41
-> 对应2进制为 0100 0001
-> 对应10进制为4 * 16 + 1 = 65 在线进制转换
下图是请求的示意图，可见数据部分是0x41表示的是十进制的65，即'A'的ASCII码。

请求
下图是响应的示意图，可见数据部分是0x41424344表示的是十进制的65 66 67 68，即'ABCD'的ASCII码。

响应

Snip20181218_5.png

下图标识的是IP协议所使用的版本，0100表示的是4即IPv4

IPv4

IPv4

下图标识的是IP的首部长度，0101表示十进制5，不过这里我们看到Header Length 为20字节，原因是，Head Length的单位是4字节。（即5 * 4 字节 = 20 字节）。首部长度的最大值为1111即15，首部长度的最大值为15 * 4字节 = 60字节。

IP首部长度

IP首部长度

服务类型部分，优先级标志位和服务类型标志位，被路由器用来进行流量的优先排序。笔者目前不清楚用意，暂不做解释说明。
下图为Total Length（总长度）显示为001d，16进制的d为13，即13 + 16 = 29。指IP首部和数据报中数据之后的长度，单位为字节。总长度为16位，因此数据报的最大长度为2¹⁶ - 1 = 65535字节。

Total Length

Total Length

下图为标识符，一个唯一的标识数字，用来识别一个数据报或者被分片数据包的次序。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。

标识符

标识符

下图为标记和分段偏移。

标记分段偏移
标记：用来标识一个数据报是否是一组分片数据包的一部分。
- Flags：0x0000，
  - 其中Reserved bit 为0 占用1比特；
  - DF（Don’t Fragment）为0，占用1比特；代表不分片；
  - MF（More Fragemnt）为0，占用1比特，MF为0，如果在分片的情况下，代表这是若干分片中的最后一个；
  - 分片偏移为0，占用 13比特；0 0000 0000 0000
分段偏移：一个数据包是一个分片，这个域中的值就会被用来将数据报以正确顺序重新组装。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。
下图为Time to live （存活时间），用来定义数据报的生存周期，以经过路由器的条数/秒数进行秒数。目前笔者对此并不了解，暂不做解释。占用8个比特，16进制0x40即十进制64。

Time to live

Time to live

下图为协议，用来识别在数据包序列中上层协议数据类型。占用8个比特，16进制0x11即十进制17。代表UDP。

协议

协议

下图为首部校验和，一个错误检测机制，用来确定IP首部的内容有没有被损坏或者篡改。占用16个比特。

首部校验和

首部校验和

下图为源IP地址，即发出数据报的主机的IP地址。占用32个比特。16进制的0x7f代表的127，0x7f00 0001 表示127.0.0.1

源IP地址

源IP地址

下图为目的IP地址，数据报目的地的IP地址。占用32个比特。16进制的0x7f代表的127，0x7f00 0001 表示127.0.0.1。

目的IP地址

目的IP地址

上述内容就是IP的数据报首部的相关分析，下边笔者将给大家介绍下UDP的首部的相关内容：

如下图UDP的首部所示，UDP的首部占用 64比特，即8个字节。

UDP的首部

UDP的首部

下图表示UDP的源端口，占用16比特。16进制为0x f432即为十进制的62514。

UDP的源端口

UDP的源端口

下图表示UDP的目标端口，占用16比特。16进制为0x 4e20即为十进制的20000。

UDP的目标端口

UDP的目标端口

下图表示UDP数据报的字节长度，表示数据报的字节长度。长度占用UDP首部16比特。16进制为0x 0009即为十进制的9（因为UDP首部长度占8个字节，加上传输了一个数据'A'占用1个字节，共9字节）。

UDP数据报的字节长度

UDP数据报的字节长度

下图表示UDP数据报的校验和，用来确保UDP首部和数据到达时的完整性。校验和占用UDP首部16比特，16进制为0x fe1c。目前笔者对这个值并不了解，暂不做解释。

UDP数据报的校验和

UDP数据报的校验和

最后，传输的数据，包含被UDP封装进去的数据，包含应用层协议头部和用户发出的数据，我们传输的'A'，如下图，显示为16进制的0x41即十进制的65。

传输的数据

参考内容：

Wireshark数据包实战讲解
https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSLTBW_2.3.0/com.ibm.zos.v2r3.halc001/ipcicint_protocol.htm
https://www.iana.org/assignments/address-family-numbers/address-family-numbers.xhtml
https://python3-cookbook.readthedocs.io/zh_CN/latest/c11/p03_creating_udp_server.html

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