TCP/IP協(xié)議棧與數(shù)據(jù)包封裝

ID:107189 · 發(fā)表于 2016-3-5 17:45

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分為應(yīng)用層（Application）、傳輸層（Transport）、網(wǎng)絡(luò)層（Network）和鏈路層（Link）四層。如下圖所示。
圖 36.1. TCP/IP協(xié)議棧

兩臺計算機(jī)通過TCP/IP協(xié)議通訊的過程如下所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.2. TCP/IP通訊過程

傳輸層及其以下的機(jī)制由內(nèi)核提供，應(yīng)用層由用戶進(jìn)程提供（后面將介紹如何使用socket API編寫應(yīng)用程序），應(yīng)用程序?qū)νㄓ崝?shù)據(jù)的含義進(jìn)行解釋，而傳輸層及其以下處理通訊的細(xì)節(jié)，將數(shù)據(jù)從一臺計算機(jī)通過一定的路徑發(fā)送到另一臺計算機(jī)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上時，每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部（header），稱為封裝（Encapsulation），如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.3. TCP/IP數(shù)據(jù)包的封裝

不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段（segment），在網(wǎng)絡(luò)層叫做數(shù)據(jù)報（datagram），在鏈路層叫做幀（frame）。數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上，到達(dá)目的主機(jī)后每層協(xié)議再剝掉相應(yīng)的首部，最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。
上圖對應(yīng)兩臺計算機(jī)在同一網(wǎng)段中的情況，如果兩臺計算機(jī)在不同的網(wǎng)段中，那么數(shù)據(jù)從一臺計算機(jī)到另一臺計算機(jī)傳輸過程中要經(jīng)過一個或多個路由器，如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.4. 跨路由器通訊過程

其實在鏈路層之下還有物理層，指的是電信號的傳遞方式，比如現(xiàn)在以太網(wǎng)通用的網(wǎng)線（雙絞線）、早期以太網(wǎng)采用的的同軸電纜（現(xiàn)在主要用于有線電視）、光纖等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等。集線器（Hub）是工作在物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，用于雙絞線的連接和信號中繼（將已衰減的信號再次放大使之傳得更遠(yuǎn)）。
鏈路層有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)，鏈路層負(fù)責(zé)網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動、幀同步（就是說從網(wǎng)線上檢測到什么信號算作新幀的開始）、沖突檢測（如果檢測到?jīng)_突就自動重發(fā)）、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作。交換機(jī)是工作在鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以在不同的鏈路層網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀（比如十兆以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)之間），由于不同鏈路層的幀格式不同，交換機(jī)要將進(jìn)來的數(shù)據(jù)包拆掉鏈路層首部重新封裝之后再轉(zhuǎn)發(fā)。
網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議是構(gòu)成Internet的基礎(chǔ)。Internet上的主機(jī)通過IP地址來標(biāo)識，Internet上有大量路由器負(fù)責(zé)根據(jù)IP地址選擇合適的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包從Internet上的源主機(jī)到目的主機(jī)往往要經(jīng)過十多個路由器。路由器是工作在第三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，同時兼有交換機(jī)的功能，可以在不同的鏈路層接口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此路由器需要將進(jìn)來的數(shù)據(jù)包拆掉網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層兩層首部并重新封裝。IP協(xié)議不保證傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)包在傳輸過程中可能丟失，可靠性可以在上層協(xié)議或應(yīng)用程序中提供支持。
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)點到點（point-to-point）的傳輸（這里的“點”指主機(jī)或路由器），而傳輸層負(fù)責(zé)端到端（end-to-end）的傳輸（這里的“端”指源主機(jī)和目的主機(jī)）。傳輸層可選擇TCP或UDP協(xié)議。TCP是一種面向連接的、可靠的協(xié)議，有點像打電話，雙方拿起電話互通身份之后就建立了連接，然后說話就行了，這邊說的話那邊保證聽得到，并且是按說話的順序聽到的，說完話掛機(jī)斷開連接。也就是說TCP傳輸?shù)碾p方需要首先建立連接，之后由TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性，丟失的數(shù)據(jù)包自動重發(fā)，上層應(yīng)用程序收到的總是可靠的數(shù)據(jù)流，通訊之后關(guān)閉連接。UDP協(xié)議不面向連接，也不保證可靠性，有點像寄信，寫好信放到郵筒里，既不能保證信件在郵遞過程中不會丟失，也不能保證信件是按順序寄到目的地的。使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序需要自己完成丟包重發(fā)、消息排序等工作。
目的主機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，如何經(jīng)過各層協(xié)議棧最后到達(dá)應(yīng)用程序呢？整個過程如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.5. Multiplexing過程

以太網(wǎng)驅(qū)動程序首先根據(jù)以太網(wǎng)首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數(shù)據(jù)幀的有效載荷（payload，指除去協(xié)議首部之外實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)）是IP、ARP還是RARP協(xié)議的數(shù)據(jù)報，然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理。假如是IP數(shù)據(jù)報，IP協(xié)議再根據(jù)IP首部中的“上層協(xié)議”字段確定該數(shù)據(jù)報的有效載荷是TCP、UDP、ICMP還是IGMP，然后交給相應(yīng)的協(xié)議處理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP協(xié)議再根據(jù)TCP首部或UDP首部的“端口號”字段確定應(yīng)該將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給哪個用戶進(jìn)程。IP地址是標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)的地址，而端口號就是同一臺主機(jī)上標(biāo)識不同進(jìn)程的地址，IP地址和端口號合起來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中唯一的進(jìn)程。
注意，雖然IP、ARP和RARP數(shù)據(jù)報都需要以太網(wǎng)驅(qū)動程序來封裝成幀，但是從功能上劃分，ARP和RARP屬于鏈路層，IP屬于網(wǎng)絡(luò)層。雖然ICMP、IGMP、TCP、UDP的數(shù)據(jù)都需要IP協(xié)議來封裝成數(shù)據(jù)報，但是從功能上劃分，ICMP、IGMP與IP同屬于網(wǎng)絡(luò)層，TCP和UDP屬于傳輸層。本文對RARP、ICMP、IGMP協(xié)議不做進(jìn)一步介紹，有興趣的讀者可以看參考資料。

2. 以太網(wǎng)(RFC 894)幀格式
以太網(wǎng)的幀格式如下所示（該圖出自[TCPIP]）：
圖 36.6. 以太網(wǎng)幀格式

其中的源地址和目的地址是指網(wǎng)卡的硬件地址（也叫MAC地址），長度是48位，是在網(wǎng)卡出廠時固化的。用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。協(xié)議字段有三種值，分別對應(yīng)IP、ARP、RARP。幀末尾是CRC校驗碼。
以太網(wǎng)幀中的數(shù)據(jù)長度規(guī)定最小46字節(jié)，最大1500字節(jié)，ARP和RARP數(shù)據(jù)包的長度不夠46字節(jié)，要在后面補(bǔ)填充位。最大值1500稱為以太網(wǎng)的最大傳輸單元（MTU），不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的MTU，如果一個數(shù)據(jù)包從以太網(wǎng)路由到撥號鏈路上，數(shù)據(jù)包長度大于撥號鏈路的MTU了，則需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片（fragmentation）。ifconfig命令的輸出中也有“MTU:1500”。注意，MTU這個概念指數(shù)據(jù)幀中有效載荷的最大長度，不包括幀首部的長度。

3. ARP數(shù)據(jù)報格式
在網(wǎng)絡(luò)通訊時，源主機(jī)的應(yīng)用程序知道目的主機(jī)的IP地址和端口號，卻不知道目的主機(jī)的硬件地址，而數(shù)據(jù)包首先是被網(wǎng)卡接收到再去處理上層協(xié)議的，如果接收到的數(shù)據(jù)包的硬件地址與本機(jī)不符，則直接丟棄。因此在通訊前必須獲得目的主機(jī)的硬件地址。ARP協(xié)議就起到這個作用。源主機(jī)發(fā)出ARP請求，詢問“IP地址是192.168.0.1的主機(jī)的硬件地址是多少”，并將這個請求廣播到本地網(wǎng)段（以太網(wǎng)幀首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示廣播），目的主機(jī)接收到廣播的ARP請求，發(fā)現(xiàn)其中的IP地址與本機(jī)相符，則發(fā)送一個ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包給源主機(jī)，將自己的硬件地址填寫在應(yīng)答包中。
每臺主機(jī)都維護(hù)一個ARP緩存表，可以用arp -a命令查看。緩存表中的表項有過期時間（一般為20分鐘），如果20分鐘內(nèi)沒有再次使用某個表項，則該表項失效，下次還要發(fā)ARP請求來獲得目的主機(jī)的硬件地址。想一想，為什么表項要有過期時間而不是一直有效？
ARP數(shù)據(jù)報的格式如下所示（該圖出自[TCPIP]）：
圖 36.7. ARP數(shù)據(jù)報格式

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太網(wǎng)首部和ARP請求中各出現(xiàn)一次，對于鏈路層為以太網(wǎng)的情況是多余的，但如果鏈路層是其它類型的網(wǎng)絡(luò)則有可能是必要的。硬件類型指鏈路層網(wǎng)絡(luò)類型，1為以太網(wǎng)，協(xié)議類型指要轉(zhuǎn)換的地址類型，0x0800為IP地址，后面兩個地址長度對于以太網(wǎng)地址和IP地址分別為6和4（字節(jié)），op字段為1表示ARP請求，op字段為2表示ARP應(yīng)答。
下面舉一個具體的例子。
請求幀如下（為了清晰在每行的前面加了字節(jié)計數(shù)，每行16個字節(jié)）：
以太網(wǎng)首部（14字節(jié)）
0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06
ARP幀（28字節(jié)）
0000:                                           00 01
0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 02
填充位（18字節(jié)）
0020:                               00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太網(wǎng)首部：目的主機(jī)采用廣播地址，源主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上層協(xié)議類型0x0806表示ARP。
ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網(wǎng)，協(xié)議類型0x0800表示IP協(xié)議，硬件地址（MAC地址）長度為6，協(xié)議地址（IP地址）長度為4，op為0x0001表示請求目的主機(jī)的MAC地址，源主機(jī)MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，源主機(jī)IP地址為c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主機(jī)MAC地址全0待填寫，目的主機(jī)IP地址為c0 a8 00 02（192.168.0.2）。
由于以太網(wǎng)規(guī)定最小數(shù)據(jù)長度為46字節(jié)，ARP幀長度只有28字節(jié)，因此有18字節(jié)填充位，填充位的內(nèi)容沒有定義，與具體實現(xiàn)相關(guān)。
應(yīng)答幀如下：
以太網(wǎng)首部
0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06
ARP幀
0000:                                           00 01
0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02
0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
填充位
0020:                               00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太網(wǎng)首部：目的主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40，上層協(xié)議類型0x0806表示ARP。
ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網(wǎng)，協(xié)議類型0x0800表示IP協(xié)議，硬件地址（MAC地址）長度為6，協(xié)議地址（IP地址）長度為4，op為0x0002表示應(yīng)答，源主機(jī)MAC地址為00:05:5d:a1:b8:40，源主機(jī)IP地址為c0 a8 00 02（192.168.0.2），目的主機(jī)MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，目的主機(jī)IP地址為c0 a8 00 37（192.168.0.55）。
思考題：如果源主機(jī)和目的主機(jī)不在同一網(wǎng)段，ARP請求的廣播幀無法穿過路由器，源主機(jī)如何與目的主機(jī)通信？

4. IP數(shù)據(jù)報格式
IP數(shù)據(jù)報的格式如下（這里只討論IPv4）（該圖出自[TCPIP]）：
圖 36.8. IP數(shù)據(jù)報格式

IP數(shù)據(jù)報的首部長度和數(shù)據(jù)長度都是可變長的，但總是4字節(jié)的整數(shù)倍。對于IPv4，4位版本字段是4。4位首部長度的數(shù)值是以4字節(jié)為單位的，最小值為5，也就是說首部長度最小是4x5=20字節(jié)，也就是不帶任何選項的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是說首部長度最大是60字節(jié)。8位TOS字段有3個位用來指定IP數(shù)據(jù)報的優(yōu)先級（目前已經(jīng)廢棄不用），還有4個位表示可選的服務(wù)類型（最小延遲、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），還有一個位總是0。總長度是整個數(shù)據(jù)報（包括IP首部和IP層payload）的字節(jié)數(shù)。每傳一個IP數(shù)據(jù)報，16位的標(biāo)識加1，可用于分片和重新組裝數(shù)據(jù)報。3位標(biāo)志和13位片偏移用于分片。TTL（Time to live)是這樣用的：源主機(jī)為數(shù)據(jù)包設(shè)定一個生存時間，比如64，每過一個路由器就把該值減1，如果減到0就表示路由已經(jīng)太長了仍然找不到目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，就丟棄該包，因此這個生存時間的單位不是秒，而是跳（hop）。協(xié)議字段指示上層協(xié)議是TCP、UDP、ICMP還是IGMP。然后是校驗和，只校驗IP首部，數(shù)據(jù)的校驗由更高層協(xié)議負(fù)責(zé)。IPv4的IP地址長度為32位。選項字段的解釋從略。
想一想，前面講了以太網(wǎng)幀中的最小數(shù)據(jù)長度為46字節(jié)，不足46字節(jié)的要用填充字節(jié)補(bǔ)上，那么如何界定這46字節(jié)里前多少個字節(jié)是IP、ARP或RARP數(shù)據(jù)報而后面是填充字節(jié)？

5. IP地址與路由
IPv4的IP地址長度為4字節(jié)，通常采用點分十進(jìn)制表示法（dotted decimal representation）例如0xc0a80002表示為192.168.0.2。Internet被各種路由器和網(wǎng)關(guān)設(shè)備分隔成很多網(wǎng)段，為了標(biāo)識不同的網(wǎng)段，需要把32位的IP地址劃分成網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號兩部分，網(wǎng)絡(luò)號相同的各主機(jī)位于同一網(wǎng)段，相互間可以直接通信，網(wǎng)絡(luò)號不同的主機(jī)之間通信則需要通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)。
過去曾經(jīng)提出一種劃分網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號的方案，把所有IP地址分為五類，如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.9. IP地址類

A類 0.0.0.0到127.255.255.255
B類 128.0.0.0到191.255.255.255
C類 192.0.0.0到223.255.255.255
D類 224.0.0.0到239.255.255.255
E類 240.0.0.0到247.255.255.255

一個A類網(wǎng)絡(luò)可容納的地址數(shù)量最大，一個B類網(wǎng)絡(luò)的地址數(shù)量是65536，一個C類網(wǎng)絡(luò)的地址數(shù)量是256。D類地址用作多播地址，E類地址保留未用。
隨著Internet的飛速發(fā)展，這種劃分方案的局限性很快顯現(xiàn)出來，大多數(shù)組織都申請B類網(wǎng)絡(luò)地址，導(dǎo)致B類地址很快就分配完了，而A類卻浪費了大量地址。這種方式對網(wǎng)絡(luò)的劃分是flat的而不是層級結(jié)構(gòu)（hierarchical）的，Internet上的每個路由器都必須掌握所有網(wǎng)絡(luò)的信息，隨著大量C類網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，路由器需要檢索的路由表越來越龐大，負(fù)擔(dān)越來越重。
針對這種情況提出了新的劃分方案，稱為CIDR（Classless Interdomain Routing）。網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號的劃分需要用一個額外的子網(wǎng)掩碼（subnet mask）來表示，而不能由IP地址本身的數(shù)值決定，也就是說，網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號的劃分與這個IP地址是A類、B類還是C類無關(guān)，因此稱為Classless的。這樣，多個子網(wǎng)就可以匯總（summarize）成一個Internet上的網(wǎng)絡(luò)，例如，有8個站點都申請了C類網(wǎng)絡(luò)，本來網(wǎng)絡(luò)號是24位的，但是這8個站點通過同一個ISP（Internet service provider）連到Internet上，它們網(wǎng)絡(luò)號的高21位是相同的，只有低三位不同，這8個站點就可以匯總，在Internet上只需要一個路由表項，數(shù)據(jù)包通過Internet上的路由器到達(dá)ISP，然后在ISP這邊再通過次級的路由器選路到某個站點。
下面舉兩個例子：
表 36.1. 劃分子網(wǎng)的例子1

IP地址	140.252.20.68	8C FC 14 44
子網(wǎng)掩碼	255.255.255.0	FF FF FF 00
網(wǎng)絡(luò)號	140.252.20.0	8C FC 14 00
子網(wǎng)地址范圍	140.252.20.0~140.252.20.255

表 36.2. 劃分子網(wǎng)的例子2

IP地址	140.252.20.68	8C FC 14 44
子網(wǎng)掩碼	255.255.255.240	FF FF FF F0
網(wǎng)絡(luò)號	140.252.20.64	8C FC 14 40
子網(wǎng)地址范圍	140.252.20.64~140.252.20.79

可見，IP地址與子網(wǎng)掩碼做與運(yùn)算可以得到網(wǎng)絡(luò)號，主機(jī)號從全0到全1就是子網(wǎng)的地址范圍。IP地址和子網(wǎng)掩碼還有一種更簡潔的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址為140.252.20.68，子網(wǎng)掩碼的高24位是1，也就是255.255.255.0。
如果一個組織內(nèi)部組建局域網(wǎng)，IP地址只用于局域網(wǎng)內(nèi)的通信，而不直接連到Internet上，理論上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918規(guī)定了用于組建局域網(wǎng)的私有IP地址，這些地址不會出現(xiàn)在Internet上，如下表所示。

10.*，前8位是網(wǎng)絡(luò)號，共16,777,216個地址
172.16.*到172.31.*，前12位是網(wǎng)絡(luò)號，共1,048,576個地址
192.168.*，前16位是網(wǎng)絡(luò)號，共65,536個地址

使用私有IP地址的局域網(wǎng)主機(jī)雖然沒有Internet的IP地址，但也可以通過代理服務(wù)器或NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）等技術(shù)連到Internet上。
除了私有IP地址之外，還有幾種特殊的IP地址。127.*的IP地址用于本機(jī)環(huán)回(loop back)測試，通常是127.0.0.1。loopback是系統(tǒng)中一種特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址是環(huán)回地址，或者與本機(jī)其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址相同，則數(shù)據(jù)包不會發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上，而是通過環(huán)回設(shè)備再發(fā)回給上層協(xié)議和應(yīng)用程序，主要用于測試。如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.10. loopback設(shè)備

還有一些不能用作主機(jī)IP地址的特殊地址：

目的地址為255.255.255.255，表示本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部廣播，路由器不轉(zhuǎn)發(fā)這樣的廣播數(shù)據(jù)包。
主機(jī)號全為0的地址只表示網(wǎng)絡(luò)而不能表示某個主機(jī)，如192.168.10.0（假設(shè)子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0）。
目的地址的主機(jī)號為全1，表示廣播至某個網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)，例如目的地址192.168.10.255表示廣播至192.168.10.0網(wǎng)絡(luò)（假設(shè)子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0）。

下面介紹路由的過程，首先正式定義幾個名詞：
路由（名詞）數(shù)據(jù)包從源地址到目的地址所經(jīng)過的路徑，由一系列路由節(jié)點組成。
路由（動詞）某個路由節(jié)點為數(shù)據(jù)報選擇投遞方向的選路過程。
路由節(jié)點一個具有路由能力的主機(jī)或路由器，它維護(hù)一張路由表，通過查詢路由表來決定向哪個接口發(fā)送數(shù)據(jù)包。
接口路由節(jié)點與某個網(wǎng)絡(luò)相連的網(wǎng)卡接口。
路由表由很多路由條目組成，每個條目都指明去往某個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包應(yīng)該經(jīng)由哪個接口發(fā)送，其中最后一條是缺省路由條目。
路由條目路由表中的一行，每個條目主要由目的網(wǎng)絡(luò)地址、子網(wǎng)掩碼、下一跳地址、發(fā)送接口四部分組成，如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的目的網(wǎng)絡(luò)地址匹配路由表中的某一行，就按規(guī)定的接口發(fā)送到下一跳地址。
缺省路由條目路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和發(fā)送接口兩部分組成，當(dāng)目的地址與路由表中其它行都不匹配時，就按缺省路由條目規(guī)定的接口發(fā)送到下一跳地址。

假設(shè)某主機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)接口配置和路由表如下：
$ ifconfigeth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:C2:8D:7E inet addr:192.168.10.223 Bcast:192.168.10.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:10 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:0 (0.0 b) TX bytes:420 (420.0 b) Interrupt:10 Base address:0x10a0eth1 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:C2:8D:88 inet addr:192.168.56.136 Bcast:192.168.56.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:603 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:110 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:55551 (54.2 Kb) TX bytes:7601 (7.4 Kb) Interrupt:9 Base address:0x10c0lo Link encap:Local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1 RX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:3020 (2.9 Kb) TX bytes:3020 (2.9 Kb)$ routeKernel IP routing tableDestination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface192.168.10.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0192.168.56.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth1127.0.0.0 * 255.0.0.0 U 0 0 0 lodefault 192.168.10.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0這臺主機(jī)有兩個網(wǎng)絡(luò)接口，一個網(wǎng)絡(luò)接口連到192.168.10.0/24網(wǎng)絡(luò)，另一個網(wǎng)絡(luò)接口連到192.168.56.0/24網(wǎng)絡(luò)。路由表的Destination是目的網(wǎng)絡(luò)地址，Genmask是子網(wǎng)掩碼，Gateway是下一跳地址，Iface是發(fā)送接口，F(xiàn)lags中的U標(biāo)志表示此條目有效（可以禁用某些條目），G標(biāo)志表示此條目的下一跳地址是某個路由器的地址，沒有G標(biāo)志的條目表示目的網(wǎng)絡(luò)地址是與本機(jī)接口直接相連的網(wǎng)絡(luò)，不必經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，因此下一跳地址處記為*號。
如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的目的地址是192.168.56.3，跟第一行的子網(wǎng)掩碼做與運(yùn)算得到192.168.56.0，與第一行的目的網(wǎng)絡(luò)地址不符，再跟第二行的子網(wǎng)掩碼做與運(yùn)算得到192.168.56.0，正是第二行的目的網(wǎng)絡(luò)地址，因此從eth1接口發(fā)送出去，由于192.168.56.0/24正是與eth1接口直接相連的網(wǎng)絡(luò)，因此可以直接發(fā)到目的主機(jī)，不需要經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)。
如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的目的地址是202.10.1.2，跟前三行路由表條目都不匹配，那么就要按缺省路由條目，從eth0接口發(fā)出去，首先發(fā)往192.168.10.1路由器，再讓路由器根據(jù)它的路由表決定下一跳地址。

6. UDP段格式
下圖是UDP的段格式（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.11. UDP段格式

下面分析一幀基于UDP的TFTP協(xié)議幀。
以太網(wǎng)首部
0000: 00 05 5d 67 d0 b1 00 05 5d 61 58 a8 08 00
IP首部
0000:                                           45 00
0010: 00 53 93 25 00 00 80 11 25 ec c0 a8 00 37 c0 a8
0020: 00 01
UDP首部
0020：    05 d4 00 45 00 3f ac 40
TFTP協(xié)議
0020:                               00 01 'c'':''\''q'
0030: 'w''e''r''q''.''q''w''e'00 'n''e''t''a''s''c''i'
0040: 'i'00 'b''l''k''s''i''z''e'00 '5''1''2'00 't''i'
0050: 'm''e''o''u''t'00 '1''0'00 't''s''i''z''e'00 '0'
0060: 00

以太網(wǎng)首部：源MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，目的MAC地址是00:05:5d:67:d0:b1，上層協(xié)議類型0x0800表示IP。
IP首部：每一個字節(jié)0x45包含4位版本號和4位首部長度，版本號為4，即IPv4，首部長度為5，說明IP首部不帶有選項字段。服務(wù)類型為0，沒有使用服務(wù)。16位總長度字段（包括IP首部和IP層payload的長度）為0x0053，即83字節(jié)，加上以太網(wǎng)首部14字節(jié)可知整個幀長度是97字節(jié)。IP報標(biāo)識是0x9325，標(biāo)志字段和片偏移字段設(shè)置為0x0000，就是DF=0允許分片，MF=0此數(shù)據(jù)報沒有更多分片，沒有分片偏移。TTL是0x80，也就是128。上層協(xié)議0x11表示UDP協(xié)議。IP首部校驗和為0x25ec，源主機(jī)IP是c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主機(jī)IP是c0 a8 00 01（192.168.0.1）。
UDP首部：源端口號0x05d4（1492）是客戶端的端口號，目的端口號0x0045（69）是TFTP服務(wù)的well-known端口號。UDP報長度為0x003f，即63字節(jié)，包括UDP首部和UDP層payload的長度。UDP首部和UDP層payload的校驗和為0xac40。
TFTP是基于文本的協(xié)議，各字段之間用字節(jié)0分隔，開頭的00 01表示請求讀取一個文件，接下來的各字段是：
c:\qwerq.qwe
netascii
blksize 512
timeout 10
tsize 0

一般的網(wǎng)絡(luò)通信都是像TFTP協(xié)議這樣，通信的雙方分別是客戶端和服務(wù)器，客戶端主動發(fā)起請求（上面的例子就是客戶端發(fā)起的請求幀），而服務(wù)器被動地等待、接收和應(yīng)答請求。客戶端的IP地址和端口號唯一標(biāo)識了該主機(jī)上的TFTP客戶端進(jìn)程，服務(wù)器的IP地址和端口號唯一標(biāo)識了該主機(jī)上的TFTP服務(wù)進(jìn)程，由于客戶端是主動發(fā)起請求的一方，它必須知道服務(wù)器的IP地址和TFTP服務(wù)進(jìn)程的端口號，所以，一些常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有默認(rèn)的服務(wù)器端口，例如HTTP服務(wù)默認(rèn)TCP協(xié)議的80端口，F(xiàn)TP服務(wù)默認(rèn)TCP協(xié)議的21端口，TFTP服務(wù)默認(rèn)UDP協(xié)議的69端口（如上例所示）。在使用客戶端程序時，必須指定服務(wù)器的主機(jī)名或IP地址，如果不明確指定端口號則采用默認(rèn)端口，請讀者查閱ftp、tftp等程序的man page了解如何指定端口號。/etc/services中列出了所有well-known的服務(wù)端口和對應(yīng)的傳輸層協(xié)議，這是由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）規(guī)定的，其中有些服務(wù)既可以用TCP也可以用UDP，為了清晰，IANA規(guī)定這樣的服務(wù)采用相同的TCP或UDP默認(rèn)端口號，而另外一些TCP和UDP的相同端口號卻對應(yīng)不同的服務(wù)。
很多服務(wù)有well-known的端口號，然而客戶端程序的端口號卻不必是well-known的，往往是每次運(yùn)行客戶端程序時由系統(tǒng)自動分配一個空閑的端口號，用完就釋放掉，稱為ephemeral的端口號，想想這是為什么。
前面提過，UDP協(xié)議不面向連接，也不保證傳輸?shù)目煽啃裕纾?br />

發(fā)送端的UDP協(xié)議層只管把應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)封裝成段交給IP協(xié)議層就算完成任務(wù)了，如果因為網(wǎng)絡(luò)故障該段無法發(fā)到對方，UDP協(xié)議層也不會給應(yīng)用層返回任何錯誤信息。
接收端的UDP協(xié)議層只管把收到的數(shù)據(jù)根據(jù)端口號交給相應(yīng)的應(yīng)用程序就算完成任務(wù)了，如果發(fā)送端發(fā)來多個數(shù)據(jù)包并且在網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)過不同的路由，到達(dá)接收端時順序已經(jīng)錯亂了，UDP協(xié)議層也不保證按發(fā)送時的順序交給應(yīng)用層。
通常接收端的UDP協(xié)議層將收到的數(shù)據(jù)放在一個固定大小的緩沖區(qū)中等待應(yīng)用程序來提取和處理，如果應(yīng)用程序提取和處理的速度很慢，而發(fā)送端發(fā)送的速度很快，就會丟失數(shù)據(jù)包，UDP協(xié)議層并不報告這種錯誤。

因此，使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序必須考慮到這些可能的問題并實現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，例如等待應(yīng)答、超時重發(fā)、為數(shù)據(jù)包編號、流量控制等。一般使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)都比較簡單，只是發(fā)送一些對可靠性要求不高的消息，而不發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。例如，基于UDP的TFTP協(xié)議一般只用于傳送小文件（所以才叫trivial的ftp），而基于TCP的FTP協(xié)議適用于各種文件的傳輸。下面看TCP協(xié)議如何用面向連接的服務(wù)來代替應(yīng)用程序解決傳輸?shù)目煽啃詥栴}。

7. TCP協(xié)議
7.1. 段格式
TCP的段格式如下圖所示（該圖出自[TCPIP]）。
圖 36.12. TCP段格式

和UDP協(xié)議一樣也有源端口號和目的端口號，通訊的雙方由IP地址和端口號標(biāo)識。32位序號、32位確認(rèn)序號、窗口大小稍后詳細(xì)解釋。4位首部長度和IP協(xié)議頭類似，表示TCP協(xié)議頭的長度，以4字節(jié)為單位，因此TCP協(xié)議頭最長可以是4x15=60字節(jié)，如果沒有選項字段，TCP協(xié)議頭最短20字節(jié)。URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN是六個控制位，本節(jié)稍后將解釋SYN、ACK、FIN、RST四個位，其它位的解釋從略。16位檢驗和將TCP協(xié)議頭和數(shù)據(jù)都計算在內(nèi)。緊急指針和各種選項的解釋從略。

7.2. 通訊時序請點評

下圖是一次TCP通訊的時序圖。
圖 36.13. TCP連接建立斷開

在這個例子中，首先客戶端主動發(fā)起連接、發(fā)送請求，然后服務(wù)器端響應(yīng)請求，然后客戶端主動關(guān)閉連接。兩條豎線表示通訊的兩端，從上到下表示時間的先后順序，注意，數(shù)據(jù)從一端傳到網(wǎng)絡(luò)的另一端也需要時間，所以圖中的箭頭都是斜的。雙方發(fā)送的段按時間順序編號為1-10，各段中的主要信息在箭頭上標(biāo)出，例如段2的箭頭上標(biāo)著SYN, 8000(0), ACK 1001, <mss 1024>，表示該段中的SYN位置1，32位序號是8000，該段不攜帶有效載荷（數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為0），ACK位置1，32位確認(rèn)序號是1001，帶有一個mss選項值為1024。
建立連接的過程：

客戶端發(fā)出段1，SYN位表示連接請求。序號是1000，這個序號在網(wǎng)絡(luò)通訊中用作臨時的地址，每發(fā)一個數(shù)據(jù)字節(jié)，這個序號要加1，這樣在接收端可以根據(jù)序號排出數(shù)據(jù)包的正確順序，也可以發(fā)現(xiàn)丟包的情況，另外，規(guī)定SYN位和FIN位也要占一個序號，這次雖然沒發(fā)數(shù)據(jù)，但是由于發(fā)了SYN位，因此下次再發(fā)送應(yīng)該用序號1001。mss表示最大段尺寸，如果一個段太大，封裝成幀后超過了鏈路層的最大幀長度，就必須在IP層分片，為了避免這種情況，客戶端聲明自己的最大段尺寸，建議服務(wù)器端發(fā)來的段不要超過這個長度。
服務(wù)器發(fā)出段2，也帶有SYN位，同時置ACK位表示確認(rèn)，確認(rèn)序號是1001，表示“我接收到序號1000及其以前所有的段，請你下次發(fā)送序號為1001的段”，也就是應(yīng)答了客戶端的連接請求，同時也給客戶端發(fā)出一個連接請求，同時聲明最大尺寸為1024。
客戶端發(fā)出段3，對服務(wù)器的連接請求進(jìn)行應(yīng)答，確認(rèn)序號是8001。

在這個過程中，客戶端和服務(wù)器分別給對方發(fā)了連接請求，也應(yīng)答了對方的連接請求，其中服務(wù)器的請求和應(yīng)答在一個段中發(fā)出，因此一共有三個段用于建立連接，稱為'''三方握手（three-way-handshake）'''。在建立連接的同時，雙方協(xié)商了一些信息，例如雙方發(fā)送序號的初始值、最大段尺寸等。
在TCP通訊中，如果一方收到另一方發(fā)來的段，讀出其中的目的端口號，發(fā)現(xiàn)本機(jī)并沒有任何進(jìn)程使用這個端口，就會應(yīng)答一個包含RST位的段給另一方。例如，服務(wù)器并沒有任何進(jìn)程使用8080端口，我們卻用telnet客戶端去連接它，服務(wù)器收到客戶端發(fā)來的SYN段就會應(yīng)答一個RST段，客戶端的telnet程序收到RST段后報告錯誤Connection refused：
$ telnet 192.168.0.200 8080Trying 192.168.0.200...telnet: Unable to connect to remote host: Connection refused數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：

客戶端發(fā)出段4，包含從序號1001開始的20個字節(jié)數(shù)據(jù)。
服務(wù)器發(fā)出段5，確認(rèn)序號為1021，對序號為1001-1020的數(shù)據(jù)表示確認(rèn)收到，同時請求發(fā)送序號1021開始的數(shù)據(jù)，服務(wù)器在應(yīng)答的同時也向客戶端發(fā)送從序號8001開始的10個字節(jié)數(shù)據(jù)，這稱為piggyback。
客戶端發(fā)出段6，對服務(wù)器發(fā)來的序號為8001-8010的數(shù)據(jù)表示確認(rèn)收到，請求發(fā)送序號8011開始的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，ACK和確認(rèn)序號是非常重要的，應(yīng)用程序交給TCP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)會暫存在TCP層的發(fā)送緩沖區(qū)中，發(fā)出數(shù)據(jù)包給對方之后，只有收到對方應(yīng)答的ACK段才知道該數(shù)據(jù)包確實發(fā)到了對方，可以從發(fā)送緩沖區(qū)中釋放掉了，如果因為網(wǎng)絡(luò)故障丟失了數(shù)據(jù)包或者丟失了對方發(fā)回的ACK段，經(jīng)過等待超時后TCP協(xié)議自動將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包重發(fā)。
這個例子只描述了最簡單的一問一答的情景，實際的TCP數(shù)據(jù)傳輸過程可以收發(fā)很多數(shù)據(jù)段，雖然典型的情景是客戶端主動請求服務(wù)器被動應(yīng)答，但也不是必須如此，事實上TCP協(xié)議為應(yīng)用層提供了全雙工（full-duplex）的服務(wù)，雙方都可以主動甚至同時給對方發(fā)送數(shù)據(jù)。
如果通訊過程只能采用一問一答的方式，收和發(fā)兩個方向不能同時傳輸，在同一時間只允許一個方向的數(shù)據(jù)傳輸，則稱為'''半雙工（half-duplex）'''，假設(shè)某種面向連接的協(xié)議是半雙工的，則只需要一套序號就夠了，不需要通訊雙方各自維護(hù)一套序號，想一想為什么。
關(guān)閉連接的過程：

客戶端發(fā)出段7，F(xiàn)IN位表示關(guān)閉連接的請求。
服務(wù)器發(fā)出段8，應(yīng)答客戶端的關(guān)閉連接請求。
服務(wù)器發(fā)出段9，其中也包含F(xiàn)IN位，向客戶端發(fā)送關(guān)閉連接請求。
客戶端發(fā)出段10，應(yīng)答服務(wù)器的關(guān)閉連接請求。

建立連接的過程是三方握手，而關(guān)閉連接通常需要4個段，服務(wù)器的應(yīng)答和關(guān)閉連接請求通常不合并在一個段中，因為有連接半關(guān)閉的情況，這種情況下客戶端關(guān)閉連接之后就不能再發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器了，但是服務(wù)器還可以發(fā)送數(shù)據(jù)給客戶端，直到服務(wù)器也關(guān)閉連接為止，稍后會看到這樣的例子。

7.3. 流量控制請點評

介紹UDP時我們描述了這樣的問題：如果發(fā)送端發(fā)送的速度較快，接收端接收到數(shù)據(jù)后處理的速度較慢，而接收緩沖區(qū)的大小是固定的，就會丟失數(shù)據(jù)。TCP協(xié)議通過'''滑動窗口（Sliding Window）'''機(jī)制解決這一問題。看下圖的通訊過程。
圖 36.14. 滑動窗口

發(fā)送端發(fā)起連接，聲明最大段尺寸是1460，初始序號是0，窗口大小是4K，表示“我的接收緩沖區(qū)還有4K字節(jié)空閑，你發(fā)的數(shù)據(jù)不要超過4K”。接收端應(yīng)答連接請求，聲明最大段尺寸是1024，初始序號是8000，窗口大小是6K。發(fā)送端應(yīng)答，三方握手結(jié)束。
發(fā)送端發(fā)出段4-9，每個段帶1K的數(shù)據(jù)，發(fā)送端根據(jù)窗口大小知道接收端的緩沖區(qū)滿了，因此停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
接收端的應(yīng)用程序提走2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)又有了2K空閑，接收端發(fā)出段10，在應(yīng)答已收到6K數(shù)據(jù)的同時聲明窗口大小為2K。
接收端的應(yīng)用程序又提走2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)有4K空閑，接收端發(fā)出段11，重新聲明窗口大小為4K。
發(fā)送端發(fā)出段12-13，每個段帶2K數(shù)據(jù)，段13同時還包含F(xiàn)IN位。
接收端應(yīng)答接收到的2K數(shù)據(jù)（6145-8192），再加上FIN位占一個序號8193，因此應(yīng)答序號是8194，連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，接收端同時聲明窗口大小為2K。
接收端的應(yīng)用程序提走2K數(shù)據(jù)，接收端重新聲明窗口大小為4K。
接收端的應(yīng)用程序提走剩下的2K數(shù)據(jù)，接收緩沖區(qū)全空，接收端重新聲明窗口大小為6K。
接收端的應(yīng)用程序在提走全部數(shù)據(jù)后，決定關(guān)閉連接，發(fā)出段17包含F(xiàn)IN位，發(fā)送端應(yīng)答，連接完全關(guān)閉。

上圖在接收端用小方塊表示1K數(shù)據(jù)，實心的小方塊表示已接收到的數(shù)據(jù)，虛線框表示接收緩沖區(qū)，因此套在虛線框中的空心小方塊表示窗口大小，從圖中可以看出，隨著應(yīng)用程序提走數(shù)據(jù)，虛線框是向右滑動的，因此稱為滑動窗口。
從這個例子還可以看出，發(fā)送端是一K一K地發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收端的應(yīng)用程序可以兩K兩K地提走數(shù)據(jù)，當(dāng)然也有可能一次提走3K或6K數(shù)據(jù)，或者一次只提走幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，也就是說，應(yīng)用程序所看到的數(shù)據(jù)是一個整體，或說是一個流（stream），在底層通訊中這些數(shù)據(jù)可能被拆成很多數(shù)據(jù)包來發(fā)送，但是一個數(shù)據(jù)包有多少字節(jié)對應(yīng)用程序是不可見的，因此TCP協(xié)議是面向流的協(xié)議。而UDP是面向消息的協(xié)議，每個UDP段都是一條消息，應(yīng)用程序必須以消息為單位提取數(shù)據(jù)，不能一次提取任意字節(jié)的數(shù)據(jù)，這一點和TCP是很不同的。

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TCP/IP協(xié)議棧與數(shù)據(jù)包封裝