TCP/IP UDP 协议首部及数据进入协议栈封装的过程

时间:2022-05-18 10:29:37

数据的封装

当应用程序用TCP传送数据时,数据被传送入协议栈中,然后逐一通过每一层直到被当作一串比特流送入网络
TCP/IP UDP 协议首部及数据进入协议栈封装的过程

注: UDP数据TCP数据基本一致. 唯一不同的是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报


其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息(有时还要增加尾部信息)

注: 4个字节的32bit值的传输次序:首先是0-7字节,其次是8-15, 然后是16-23, 最后是24-31 bit,这种传输次序称作 big-ending(大端)字节序,或者网络字节序

UDP 封装
- TCP/IP UDP 协议首部及数据进入协议栈封装的过程

  • 端口号表示发送进程和接受进程
  • UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度, 最小为8(发送一份0字节的UDP数据报)
  • UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据

TCP 封装
-TCP/IP UDP 协议首部及数据进入协议栈封装的过程

  • 每个TCP段都有包含源端和目的端的端口号,用于寻找发端和收端应用进程,这两个端加上IP首部的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。
  • 序号用于标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流,表示在这个报文段中的第一个数据字节。 如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动,则TCP用序号对每个序号进行计数。
  • 确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号,确认序号应当是上次成功收到的数据字节序号加一,只有ACK标志为1时,确认字段序列才有效。
  • 首部长度给出首部中32-bit字的数目。这个值存在是由于选项字段的长度是可变的,这个字段占4bit,所以TCP最多有60字节的首部,没有选项字段,正常长度是20字节。
  • 6 个标志位
    • URG ,紧急指针(urgent pointer)有效
    • ACK ,确认序号有效
    • PSH ,接收方法应该尽快将这个报文段交给应用层
    • RST ,重新连接
    • SYN ,同步序号用来发起一个连接
    • FIN , 发端完成任务
  • 窗口大小为字节数,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,窗口大小为16 bit字段,因而窗口大小为65535个字节。
  • 检验和覆盖了整个TCP报文段:TCP首部和TCP数据。
  • URG标志置1时紧急指针才有效,紧急指针是一个正的偏移量,和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号,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。
  • 最常见的可选字段是最长报文大小,又为 MSS(Maximum Segment Size)。
  • TCP 报文段数据部分是可选的

IP 封装
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  • 协议版本号,IPv4 IPv6
  • 首部长度指的是首部占32-bit字的数目,包括任何选项,最长60字节。
  • 服务类型字段包括一个3-bit的优先权子字段(现已被忽略),4 bit的TOS子字段和1 bit未用但必须置0,4 bit 的TOS分别代表:最小时延,最大吞吐量,最高可靠性和最小费用,如果所有bit置0,就为一般服务。
应用程序 最小时延 最大吞吐量 最高可靠性 最小费用 0x
Telnet/Rlogin 1 0 0 0 0x10
FTP (控制,数据,任意数据块) 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0x10 0x08 0x08
TFTP 1 0 0 0 0x10
SMTP (命令阶段, 数据阶段) 1 0 0 1 0 0 0 0 0x10 0x08
DNS (UDP查询,TCP查询,区域传输) 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0x10 0x00 0x08
  • 总长度字段是整个IP数据报的长度,以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。总长度也是IP首部中必要的内容,以为一些数据链路需要填充数据以达到最小长度。
  • 标识符字段唯一的标识主机发送的每一份数据,通常发一份报文它的值就加1。
  • TTL(time-to-live)生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数,指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置(通常为32或者64),一旦经过一个处理它的路由器就减1。当该字段为0时,数据报就被丢弃,并发送ICMP报文通知源主机。
  • 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码,不对首部后面的数据进行计算。ICMP、IGMP、UDP、和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。
  • 每一份IP数据报都含有源IP地址和目的IP地址
  • 选项
    选项字段都是以 32-bit作为界限,在必要的时候需要对其进行0填充,保证IP首部始终是32-bit的整数倍(首部长度字段所要求)
    • 安全和处理限制
    • 记录路径
    • 时间戳
    • 宽松的源站选路
    • 严格的源站选路

检验和算法

  • TCP UDP 为了验证还有增加了两个伪首部
  • 计算检验和(发送方)
    • 首先把检验和字段置0
    • 对检验字段(IP只有首部,TCP/UDP等为首部和数据)中每个16-bit进行二进制反码求和
    • 结果存于检验和字段
  • 计算检验和(接受方)
    • 由于接受方在计算过程中包含了发送方存在首部的检验和,因此,如果在传输过程中没有发送任何差错,那么接受方计算的结果应该为全1
  • C 的简单实现

    unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len)
    {
        unsigned long sum;
    
        for (sum=0; len > 0; len--)
            sum += *addr++;
    
        sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
        sum += (sum >> 16);
    
        return ~sum;
    }