前言
《TCP-IP详解 卷1》的读书笔记。
TCP/IP的分层
在TCP/IP协议族中有很多种协议，这些协议分为不同层次，TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统。每一层负责不同的功能：
-
链路层：有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。
-
网络层：有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。
-
运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途。
-
应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：
- Telnet 远程登录。
- FTP 文件传输协议。
- SMTP 简单邮件传送协议。
- SNMP 简单网络管理协议。
TCP/IP协议族中不同层次的协议，如图：
-
ARP地址解析协议：根据已知的IP地址在局域网内发送广播包请求此IP地址对应主机的MAC地址。
-
RARP逆地址解析协议：根据自己的MAC地址在局域网内发送广播包请求此MAC地址对应的IP地址（通常应用于无盘系统）。
-
ICMP Internet控制报文协议：ICMP经常被认为是IP层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的信息。ICMP报文通常被IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。
-
IGMP Internet组管理协议：支持主机和路由器进行多播的Internet组管理协议（IGMP）。它让一个物理网络上的所有系统知道主机当前所在的多播组。多播路由器需要这些信息以便知道多播数据报应该向哪些接口转发。
数据的封装
当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。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），该过程如图所示：
数据的分用
当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用，如图所示：
链路层
以太网的链路层首部如图：
对应的C语言结构体：
/* 以太网首部结构体 */
struct ethhdr {
unsigned char h_dest[ETH_ALEN]; /* destination eth addr 6 */
unsigned char h_source[ETH_ALEN]; /* source ether addr 6 */
__be16 h_proto; /* packet type ID field 2 */
} __attribute__((packed));
IP数据包
IP数据报的首部格式如图：
对应的C语言结构体：
/* IP首部结构体 */
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 */
};
UDP数据包
UDP数据报的首部格式如图：
对应的C语言结构体：
/* UDP首部结构体 */
struct udphdr
{
u_int16_t source;
u_int16_t dest;
u_int16_t len;
u_int16_t check;
};
TCP数据包
TCP数据报的首部格式如图：
对应的C语言结构体：
/* TCP首部结构体 */
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;
# else
# error "Adjust your <bits/endian.h> defines"
# endif
u_int16_t window;
u_int16_t check;
u_int16_t urg_ptr;
};