协议篇之以太网UDP协议

一、写在前面

  TCP/IP协议是指一个协议簇，可以理解为以太网通信协议的集合，在这个集合里面有很多种协议，比如：TCP、IP、UDP等，其中，由于TCP核IP最为常用，所以协议的集合就命名为TCP/IP协议。本文中主要学习以太网TCP/IP协议的分层与传输层协议中的UDP协议。

二、TCP/IP协议分层

  在TCP/IP协议中，一般可以分为5层：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。以上五层协议构成了TCP/IP协议的基础，每一层都有其特定的功能和协议，通过不同层级的分工合作，TCP/IP协议能够实现互联网的通信。

• 应用层（Application Layer）：应用层就是我们需要通过用户传输的数据；
• 传输层（Transport Layer）：这一层提供端到端的通信服务。常见的传输层协议有TCP和UDP协议；
• 网络层（Network Layer）：这一层负责将数据报从源主机发送到目的主机。常见的网络层协议包括IP协议和ICMP协议；
• 数据链路层（Data Link Layer）：这一层将数据包转换为帧，并将它们传输到网络。常见的数据链路层协议包括以太网和Wi-Fi；
• 物理层/MAC层（Physical Layer）：这一层负责在物理媒介上传输数据。常见的物理层协议包括有线电缆、光纤和无线电波；

三、UDP协议数据报格式

  那么，下面，我们对网络层采用IP协议，传输层采用UDP协议的分层各层数据报格式进行讲解，分层情况概览如下图所示。

2.1 MAC层/物理层：

  MAC层主要包括前导码Preamble、帧开始符SFD、以太网帧头、MAC数据段和帧校验序列FCS，其中，以太网帧头又可以分为目的MAC地址、源MAC地址和长度/类型三个部分，如下。在这里值得注意的是，

• 前导码（Preamble）：前导码为7个字节的0和1交替的二进制值，即0x55-55-55-55-55-55-55；
• SFD（帧开始符）：表示一帧的开始，为1字节的固定值0xd5；
• 目的MAC地址：目的主机的MAC地址，长度为6个字节。MAC地址根据目的主机的个数又分为单播地址、组播地址和广播地址；
• 源MAC地址：源主机的MAC地址，长度6个字节；
• 长度/类型：长度为2字节，当这两个字节的值小于1536（十进制）时，代表该以太网MAC帧中数据段的长度；当这两个字节的值大于1536时，则表示该以太网MAC层的上层协议是什么协议，比如：0x0800表示IP协议，0x0806表示ARP协议；
• MAC数据段：MAC数据段的数据长度在46~1500字节之间，如果MAC数据段的长度小于46字节，则补0到长度为46字节；
• FCS（帧校验序列）：帧校验序列是4字节的CRC校验码，用来在接收端检测传输数据的正确性。CRC数据校验是从以太网帧头开始，到MAC数据段结束，不包含前导码Preamble和帧开始符SFD。

2.2 IP层/网络层：

  MAC层数据段即IP数据报，IP数据报主要包括IP首部和IP数据段两个部分，其中，IP首部又可以分为多个部分，包括协议版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间、协议、首部校验和、源IP地址、目的IP地址、可选字段。IP首部如下图所示。

• 协议版本：协议版本的长度为4比特，有IPV4和IPV6两种，当值为0x4时，表示IPV4，当值为0x6时，表示IPV6；
• 首部长度：首部长度是值IP首部的长度，位宽为4比特，这里需要注意的是这里对IP首部长度的度量单位不是1字节，也不是1比特，而是4字节，比如IP首部长度是20字节时，则首部长度是5（即20/4=5），此时无可选字段；
• 服务类型：服务类型用于描述IP数据包的优先级和服务质量；
• 总长度：总长度是指IP数据报的总长度（不是指IP数据段），包括IP首部+IP数据段的长度，位宽为2字节；
• 标识：用于标识IP数据包，通常由发送方设置；
• 标志：该字段包含3个标志位，分别是MF（More Fragments）、DF（Don’t Fragment）和Reserved，用于控制IP数据包的分片和重组；
• 片偏移：该字段用于指示分片数据在原始数据中的位置；
• 生存时间：生存时间用于控制IP数据包在网络中的生存时间，以避免数据包在网络中无限循环
• 协议：协议部分是指上层协议的类型（即传输层协议的类型），常见的协议号有：0x00（IP协议）、0x01（ICMP协议）、0x06（TCP协议）、0x17（UDP协议）；
• 首部校验和：首部校验和是对IP首部进行校验得到的校验和；
• 源IP地址：源主机的IP地址，4字节，比如192.168.0.2；
• 目的IP地址：目的主机的IP地址，4字节，比如192.168.1.1；
• 可选字段：可选，没有的时候长度可以为 0，该字段最大字长度40字节；
• IP数据段：IP数据报的数据段部分；

在这里，IP层的首部校验和计算步骤如下：
（1）将IP首部每16bit（2字节）看成一段数据，如果IP首部的长度不是16bit（2字节）的整数倍，则在IP首部的尾部补充0x00直到IP首部为2字节的整数倍；
（2）将IP首部的每16bit进行累加求和，得到一个32位的累加和；
（3）将32位累加和的高16位与低16位相加，直到得到一个16位的结果；
（4）对16位的结果按位取反，取反后的结果即为IP首部校验和；

  需要注意的是，在计算IP首部校验和的时候，需要把IP首部中的首部校验和字段先置为0x00，在计算完IP首部校验和后，再将IP首部校验和填入到该字段。

2.3 UDP层/传输层：

  IP数据段部分即UDP数据报，UDP数据报包括UDP首部和UDP数据段两个部分。其中，UDP首部又分为：源端口号、目的端口号、UDP长度、UDP校验和。UDP首部如下图所示。

• 源端口号：2字节，源端口号，需要对方回信时选用，不需要时全部置0；
• 目的端口号：2字节，目的端口号，在终点交付报文时需要用到；
• UDP长度：2字节，UDP数据报的长度，最短为8字节，即不传输数据，UDP数据段为空；
• UDP校验和：2字节，在接收端，根据UDP头部和UDP数据段进行计算得到，在接收端，利用UDP校验和；
• UDP数据段：UDP数据段即用户需要发送的数据；

  在这里，对于UDP校验和计算步骤，如下：

（1）将UDP数据报的头部和数据部分看作一个连续的16位字节序列，即将UDP数据报每两个字节看成一段数据（如果UDP数据报的长度为奇数字节，则在尾部补充一个字节0x00）；
（2）将这个16位字节序列按照每两个字节一组（即16位一组）进行累加，得到一个32位的累加和；
（3）将32位累加和的高16位与低16位相加，直到得到一个16位的结果；
（4）将16位的结果按位取反，按位取反后得到的值即为UD校验和；

  需要注意的是，计算UDP校验和的时候，UDP头部中的校验和字段的值应该先置为0，只有在计算完检验和之后才能在校验和字段填入正确的值。

  UDP校验和与IP首部校验和的区别？
  UDP校验和与IP首部校验和的计算方法是一致的，区别在于UDP校验和是对UDP层（传输层）的UDP头部和UDP数据段进行校验，而IP首部校验和只是对IP层（网络层）的IP头部进行校验。

2.4 应用层：

  UDP层的数据段即应用层的数据报，即用户需要发送的数据。

四、总结

  从数据报的格式角度来看，TCP/IP数据包的分层更像是一层一层的包装（套外壳），如下图所示。

  在发送端，就像是给一个东西“包装”的过程。如下图所示。从用户层开始，用户传输的数据作为用户层的数据包给到传输层，传输层给其加一层包装（UDP首部）后再传给网络层，网络层对传输层传来的数据包再加上一层包装（IP首部）后传给数据链路层，而数据链路层再对网络层传来的数据包加上一层包装（以太网帧头、FCS）后就可以传到物理层，物理层对数据链路层传来的数据包进行包装（加上前导码、SFD）后就是一帧完整的以太网帧了，就可以用于数据的传输了。

  而在接收端，就像是一个“拆包装”的过程，如下图所示。接收到一帧完整的以太网帧，首先从物理层开始拆包装，物理层获取到物理层的包装上的信息（前导码、SFD）后，把拆除外包装的产品（物理层的数据段）丢给数据链路层。数据链路层在获取到数据链路层包装上的信息（以太网帧头、FCS）后，把数据链路层的数据段丢给网络层。然后网络层在获取到网络层的外包装上的信息（IP首部）后，再将网络层拆除包装后的产品（IP数据段）丢给传输层。传输层在获取到传输的外包装上的信息（UDP首部）后，再将传输层拆除包装后的产品（UDP数据段）丢给用户层。最后，用户层即我们最终需要获得的用户发送的数据。

四、写在后面

  好了，以上就是关于以太网TCP/IP协议分层的介绍，以及对传输层采用UDP协议，网络层采用IP协议的情况下的各层数据报格式进行讲解。
  以上仅为个人学习笔记，如有疑问，欢迎评论区友好交流批评指正！！！