学网络从分层开始 – 作者:chenhh

网络系统被分为4/5层（TCP/IP参考模型）或7层（OSI参考模型），每一层都有对应的网络协议完成特定类别的功能。它们相互协作将原始信息进行分层打包（发送过程）和解包（接收过程），以流水线的方式完成复杂的网络传输过程。 应用层俗称7层，传输层俗称4层，IP层俗称3层，数据链路层俗称2层。

网络协议

同一通信节点安装的每一层协议依赖并使用下层协议提供的服务，完成特定的功能，再向其上层协议提供服务；相邻上下层协议之间通过接口通信；不同结点的对等层按照对等协议和数据单元实现对等层之间的通信。不同层的数据单元名称也不同，如下图所示：

5层模型的数据封装与解封装

原始数据包经过每一层都会被该层协议进行改造（封装头尾部、解封头尾部），改造后的数据包被下层协议（发送）或上层协议（接收）识别（通过特点标识如MAC、IP、端口）、改造、传输，最终被目的IP的对等应用接收。

如下图所示，举例，A要发送给B原始数据DATA，DATA会经过下面几个步骤
1、到应用层时变成DATA- H5，H5即为应用层添加的内容；
2、到传输层时变成了5-PDU-H4，5-PUD就是DATA- H5，H4则为传输层添加的内容；
3、到网络层时变成了4-PDU-H3，4-PDU就是5-PDU-H4，也等于DATA- H5- H4，H3则为网络层添加的内容；
4、到数据链路层时变成了T2-3-PDU-H2，……，T2和H2为数据链路层添加的内容；
5、到物理层后，T2-3-PDU-H2则变成了010101……这样形式的二进制数据
6、到达B端的物理层后，则将010101……这样子形式的数据转换成数据链路层可识别的T2-3-PDU-H2；
7、B端的数据链路层将T2和H2拆解掉后传递给上层的网络层；
8、如上形式，传递到B电脑时，则只剩下了原始数据DATA。

二层MAC帧格式

二层即数据链路层，在该层中，数据包称为帧，帧的结构如下图所示：

字段	长度	含义
DMAC	(6字节)	目的MAC地址，IPV4为6字节，该字段确定帧的接收者。
SMAC	(6字节)	源MAC地址，IPV4为6字节，该字段标识发送帧的工作站。
Type	(2字节)	协议类型。一般为0x0800，表示封装的是IP协议。
Data	变长	数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段。 如果填入该字段的信息少于46字节，该字段的其余部分也必须进行填充。数据字段的最大长度为1500字节。
CRC	(4字节)	用于帧内后续字节差错的循环冗余检验（也称为FCS或帧检验序列）。

PS：

1.IFG(Interframe Gap),帧间距，以太网相邻两帧之间的时间断；以太网发送方式是一个帧一个帧发送的，帧与帧之间需要间隙。

2.前同步码和帧开始分界符的作用：其作用是使目的主机接收器时钟与源主机发送器时钟同步。紧接着是帧开始分界符字节“10101011”，用于指示帧的开始。

帧示例：

三层IP报文格式

三层即网络层，在该层中数据包称为IP报文，IP报文的结构如下图所示：

字段	长度	含义
Version	(4比特)	4：表示为IPV4； 6：表示为IPV6。
IHL	(4比特)	首部长度，如果不带Option字段，则为20，最长为60，该值限制了记录路由选项。以4字节为一个单位。
Type of Service	(8比特)	服务类型。只有在有QoS差分服务要求时这个字段才起作用。
Total Length	(16比特)	总长度，整个IP数据报的长度，包括首部和数据之和，单位为字节，最长65535，总长度必须不超过最大传输单元MTU。
Identification	(16比特)	标识，主机每发一个报文，加1，分片重组时会用到该字段。
Flags	(3比特)	标志位： IP Flag字段格式 Bit 0: 保留位，必须为0。 Bit 1: DF（Don’t Fragment），能否分片位，0表示可以分片，1表示不能分片。 Bit 2: MF（More Fragment），表示是否该报文为最后一片，0表示最后一片，1代表后面还有。
Fragment Offset	(12比特)	片偏移：分片重组时会用到该字段。表示较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。以8个字节为偏移单位。
Time to Live	(8比特)	生存时间：可经过的最多路由数，即数据包在网络中可通过的路由器数的最大值。
Protocol	(8比特)	协议：下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个进程处理。 常见值： 0: 保留Reserved 1: ICMP, Internet Control Message [RFC792] 2: IGMP, Internet Group Management [RFC1112] 6: TCP Transmission Control Protocol [RFC793] 17: UDP User Datagram Protocol [RFC768] 47: GRE (General Routing Encapsulation) 50: ESP Encap Security Payload [RFC2406] 51: AH (Authentication Header) [RFC2402] 89: OSPF (OSPF Version 2) [RFC 1583] 112: VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) [RFC3768] 115: L2TP (Layer Two Tunneling Protocol)
Header Checksum	(16比特)	首部检验和，只检验数据包的首部，不检验数据部分。这里不采用CRC检验码，而采用简单的计算方法。
Source Address	(32比特)	源IP地址。
Destination Address	(32比特)	目的IP地址。
Options	可变	选项字段，用来支持排错，测量以及安全等措施。选项字段长度可变，从1字节到40字节不等，取决于所选项的功能。
Padding	可变	填充字段，全填0。

报文示例：

四层TCP段格式

四层即传输层，在该层中数据包称为段，TCP段的结构如下图所示：

字段	长度	含义
Source Port	(16比特)	源端口，标识哪个应用程序发送。
Destination Port	(16比特)	目的端口，标识哪个应用程序接收。
Sequence Number	(32比特)	序号字段。TCP链接中传输的数据流中每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
Acknowledgment Number	(32比特)	确认号，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据字节序号加1。只有ACK标识为1，此字段有效。
Data Offset	(4比特)	数据偏移，即首部长度，指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以32比特（4字节）为计算单位。最多有60字节的首部，若无选项字段，正常为20字节。
Reserved	(6比特)	保留，必须填0。
URG	(1比特)	紧急指针有效标识。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据）。
ACK	(1比特)	确认序号有效标识。只有当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。
PSH	(1比特)	标识接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。接收到PSH = 1的TCP报文段，应尽快的交付接收应用进程，而不再等待整个缓存都填满了后再向上交付。
RST	(1比特)	重建连接标识。当RST=1时，表明TCP连接中出现严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立连接。
SYN	(1比特)	同步序号标识，用来发起一个连接。SYN=1表示这是一个连接请求或连接接受请求。
FIN	(1比特)	发端完成发送任务标识。用来释放一个连接。FIN=1表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放连接。
Window	(16比特)	窗口：TCP的流量控制，窗口起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节数。窗口最大为65535字节。
Checksum	(16比特)	窗口：TCP的流量控制，窗口起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节数。窗口最大为65535字节。
Urgent Pointer	(16比特)	紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
Options	可变	选项字段。TCP协议最初只规定了一种选项，即最长报文段长度（数据字段加上TCP首部），又称为MSS。MSS告诉对方TCP“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节”。 新的RFC规定有以下几种选型：选项表结束，无操作，最大报文段长度，窗口扩大因子，时间戳。 窗口扩大因子：3字节，其中一个字节表示偏移值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数增大到（16+S），相当于把窗口值向左移动S位后获得实际的窗口大小。 时间戳：10字节，其中最主要的字段是时间戳值（4字节）和时间戳回送应答字段（4字节）。 选项确认选项：
Padding	可变	填充字段，用来补位，使整个首部长度是4字节的整数倍。
data	可变	TCP负载。

TCP报文示例：

TCP报文(正常报文)

TCP报文（Keepalive）

TCP报文（Keepalive ACK）

TCP报文（Duplicate ACK）

TCP报文（重传）

TCP报文（Out-Of-Order乱序）

TCP报文（Window Update）

四层UDP段格式

四层即传输层，在该层中数据包称为段，UDP段的结构如下图所示：

字段	长度	含义
Source Port	(2字节)	标识哪个应用程序发送（发送进程）。
Destination Port	(2字节)	标识哪个应用程序接收（接收进程）。
Length	(2字节)	UDP首部加上UDP数据的字节数，最小为8。
Checksum	(2字节)	覆盖UDP首部和UDP数据，是可选的。
data octets	变长	UDP负载，可选的。

UDP报文示例：

七层HTTP数据格式

http请求头报文示例：

http响应头报文示例：

七层DNS数据格式

DNS请求报文示例：

DNS响应报文示例：

网络的本质

数据报文是网络运行世界里，具有完整信息的、最小的组成单元，而协议则是数据报文在网络内交互必须遵循的规则。因此掌握了这两者，基本上就可以把握网络运行的本质。

来源：freebuf.com 2021-05-13 01:36:22 by: chenhh