Linux网络编程--7. TCP/IP协议

你也许听说过TCP/IP协议,那么你知道到底什么是TCP,什么是IP吗?在这一章里面,我们一起来学习这个目前网络上用最广泛的协议.  




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,绮?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  


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 */ 
  }; 


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.没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在中的定义是  
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; 
}; 


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结构在中的定义为:  
struct udphdr { 
  u_int16_t     source; 
  u_int16_t     dest; 
  u_int16_t     len; 
  u_int16_t     check; 
}; 


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的结构在中定义为:  
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; 
};       


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. 

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