TCPIP详解笔记非常全.docx

TCPIP详解笔记非常全.docx

《TCPIP详解笔记非常全.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TCPIP详解笔记非常全.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

TCPIP详解笔记非常全

TCP/IP详解学习笔记<1>-基本概念

为什么会有TCP/IP协议

在世界上各地,各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务,这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别.就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音,让他们无法合作一样.计算机使用者意识到,计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用.只有把它们联合起来,电脑才会发挥出它最大的潜力.于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起.

但是简单的连到一起是远远不够的,就好像语言不同的两个人互相见了面,完全不能交流信息.因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流,TCP/IP就是为此而生.TCP/IP不是一个协议,而是一个协议族的统称.里面包括了IP协议,IMCP协议,TCP协议,以与我们更加熟悉的、ftp、pop3协议等等.电脑有了这些,就好像学会了外语一样,就可以和其他的计算机终端做自由的交流了.

TCP/IP协议分层

提到协议分层,我们很容易联想到ISO-OSI的七层协议经典架构,但是TCP/IP协议族的结构则稍有不同.如图所示

TCP/IP协议族按照层次由上到下,层层包装.最上面的就是应用层了,这里面有,ftp,等等我们熟悉的协议.而第二层则是传输层,著名的TCP和UDP协议就在这个层次〔不要告诉我你没用过udp玩星际〕.第三层是网络层,IP协议就在这里,它负责对数据加上IP地址和其他的数据〔后面会讲到〕以确定传输的目标.第四层是叫数据链路层,这个层次为待传送的数据加入一个以太网协议头,并进行CRC编码,为最后的数据传输做准备.再往下则是硬件层次了,负责网络的传输,这个层次的定义包括网线的制式,网卡的定义等等〔这些我们就不用关心了,我们也不做网卡〕,所以有些书并不把这个层次放在tcp/ip协议族里面,因为它几乎和tcp/ip协议的编写者没有任何的关系.发送协议的主机从上自下将数据按照协议封装,而接收数据的主机则按照协议从得到的数据包解开,最后拿到需要的数据.这种结构非常有栈的味道,所以某些文章也把tcp/ip协议族称为tcp/ip协议栈.

一些基本的常识

在学习协议之前,我们应该具备一些基本知识.

互联网地址

网络上每一个节点都必须有一个独立的Internet地址〔也叫做IP地址〕.现在,通常使用的IP地址是一个32bit的数字,也就是我们常说的IPv4标准,这32bit的数字分成四组,也就是常见的255.255.255.255的样式.IPv4标准上,地址被分为五类,我们常用的是B类地址.具体的分类请参考其他文档.需要注意的是IP地址是网络号+主机号的组合,这非常重要.

域名系统

域名系统是一个分布的数据库,它提供将主机名〔就是网址啦〕转换成IP地址的服务.

RFC

RFC是什么？

RFC就是tcp/ip协议的标准文档,在这里我们可以看到RFC那长长的定义列表,现在它一共有4000多个协议的定义,当然,我们所要学习的,也就是那么十几个协议而已.

端口号

注意,这个是用在TCP,UDP上的一个逻辑,并不是一个硬件端口,我们平时说把某某端口封掉了,也只是在IP层次把带有这个的IP包给过滤掉了而已.

应用编程接口

现在常用的编程接口有socket和TLI.而前面的有时候也叫做"Berkeleysocket",可见Berkeley对于网络的发展有多大的贡献.

TCP/IP详解学习笔记<2>-数据链路层

数据链路层有三个目的：

∙为IP模块发送和接收IP数据报.

∙为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答.

∙为RARP发送RARP请求和接收RARP应答

ip大家都听说过.至于ARP和RARP,ARP叫做地址解析协议,是用IP地址换MAC地址的一种协议,而RARP则叫做逆地址解析协议,在tcp/ip协议的后面章节会介绍它们〔在局域网里面用ARP协议可以很容易的搞瘫痪网络哦〕

数据链路层的协议还是很多的,有我们最常用的以太网〔就是平时我们用的网卡〕协议,也有不太常见的令牌环,还有FDDI,当然,还有国内现在相当普与的PPP协议〔就是adsl宽带〕,以与一个loopback协议.

联系linux里面的ifconfig-a命令,这个命令通常会得到如下的结果

其中,eth0就是以太网接口,而lo则是loopback接口.这也说明这个主机在网络链路层上至少支持loopback协议和以太网协议.

以太网〔Ether-net〕的定是指数字设备公司〔DigitalEquipmentCorp.〕、英特尔公司〔IntelCorp.〕和Xerox公司在1982年联合公布的一个标准,这个标准里面使用了一种称作CSMA/CD的接入方法.而IEEE802提供的标准集802.3<还有一部分定义到了802.2中>也提供了一个CSMA/CD的标准.这两个标准稍有不同,TCP/IP协议对这种情况的处理方式如下:

∙以太网的IP数据报封装在RFC894中定义,而IEEE802网络的IP数据报封装在RFC1042中定义.

∙一台主机一定要能发送和接收RFC894定义的数据报.

∙一台主机可以接收RFC894和RFC1042的封装格式的混合数据报.

∙一台主机也许能够发送RFC1042数据报..如果主机能同时发送两种类型的分组数据,那么发送的分组必须是可以设置的,而且默认条件下必须是RFC894分组.

可见,RFC1042在TCP/IP里面处于一个配角的地位.这两种不同的数据报格式请参考教材.

ppp<点对点协议>是从SLIP的替代品.他们都提供了一种低速接入的解决方案.而每一种数据链路层协议,都有一个MTU〔最大传输单元〕定义,在这个定义下面,如果IP数据报过大,则要进行分片,使得每片都小于MTU,注意PPP的MTU并不是一个物理定义,而是指一个逻辑定义〔个人认为就是用程序控制〕.可以用netstat来打印出MTU的结果,比如键入netstat-in

就可以观察到eth0的MTU是1500.而lo〔环回接口〕的MTU则是16436.

最后说说那个环回接口〔loopback〕.平时我们用127.0.0.1来尝试自己的机器服务器好使不好使.走的就是这个loopback接口.对于环回接口,有如下三点值得注意:

∙传给环回地址〔一般是127.0.0.1〕的任何数据均作为IP输入.

∙传给广播地址或多播地址的数据报复制一份传给环回接口,然后送到以太网上.这是因为广播传送和多播传送的定义包含主机本身.

∙任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口.

这一章还是很简单的,一般作为了解知识也就足够了,没必要抠的那么详细.

TCP/IP详解学习笔记<3>-IP协议,ARP协议,RARP协议

把这三个协议放到一起学习是因为这三个协议处于同一层,ARP协议用来找到目标主机的Ethernet网卡Mac地址,IP则承载要发送的消息.数据链路层可以从ARP得到数据的传送信息,而从IP得到要传输的数据信息.

1.IP协议

IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,IMCP,IGCP的数据都以IP数据格式传输.要注意的是,IP不是可靠的协议,这是说,IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制－－这被认为是上层协议－－TCP或UDP要做的事情.所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议,而UDP就没有那么可靠的区别.这是后话,暂且不提

1.1.IP协议头

如图所示

挨个解释它是教科书的活计,我感兴趣的只是那八位的TTL字段,还记得这个字段是做什么的么？

这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃<这里就体现出来IP协议包的不可靠性,它不保证数据被送达>,某个ip数据包每穿过一个路由器,该数据包的TTL数值就会减少1,当该数据包的TTL成为零,它就会被自动抛弃.这个字段的最大值也就是255,也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了,根据系统的不同,这个数字也不一样,一般是32或者是64,Tracerouter这个工具就是用这个原理工作的,tranceroute的-m选项要求最大值是255,也就是因为这个TTL在IP协议里面只有8bit.

现在的ip版本号是4,所以也称作IPv4.现在还有IPv6,而且运用也越来越广泛了.

1.2.IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候,IP数据包〔或者说是路由器〕是如何将数据包送到目的地的呢？

它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢？

最特殊的情况是目的主机和主机直连,那么主机根本不用寻找路由,直接把数据传递过去就可以了.至于是怎么直接传递的,这就要靠ARP协议了,后面会讲到.

稍微一般一点的情况是,主机通过若干个路由器和目的主机连接.那么路由器就要通过ip包的信息来为ip包寻找到一个合适的目标来进行传递,比如合适的主机,或者合适的路由.路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包

1如果IP数据包的TTL〔生命周期〕以到,则该IP数据包就被抛弃.

2搜索路由表,优先搜索匹配主机,如果能找到和IP地址完全一致的目标主机,则将该包发向目标主机

3搜索路由表,如果匹配主机失败,则匹配同子网的路由器,这需要"子网掩码<1.3.>"的协助.如果找到路由器,则将该包发向路由器.

4搜索路由表,如果匹配同子网路由器失败,则匹配同网号〔第一章有讲解〕路由器,如果找到路由器,则将该包发向路由器.

5搜索陆游表,如果以上都失败了,就搜索默认路由,如果默认路由存在,则发包

6如果都失败了,就丢掉这个包.

这再一次证明了,ip包是不可靠的.因为它不保证送达.

1.3.子网寻址

IP地址的定义是网络号+主机号.但是现在所有的主机都要求子网编址,也就是说,把主机号在细分成子网号+主机号.最终一个IP地址就成为网络+子网号+主机号.例如一个B类地址：

210.30.109.134.一般情况下,这个IP地址的红色部分就是网络号,而蓝色部分就是子网号,绿色部分就是主机号.至于有多少位代表子网号这个问题上,这没有一个硬性的规定,取而代之的则是子网掩码,校园网相信大多数人都用过,在校园网的设定里面有一个255.255.255.0的东西,这就是子网掩码.子网掩码是由32bit的二进制数字序列,形式为是一连串的1和一连串的0,例如：

255.255.255.0<二进制就是11111111.11111111.11111111.00000000>对于刚才的那个B类地址,因为210.30是网络号,那么后面的109.134就是子网号和主机号的组合,又因为子网掩码只有后八bit为0,所以主机号就是IP地址的后八个bit,就是134,而剩下的就是子网－－109.

2.ARP协议

还记得数据链路层的以太网的协议中,每一个数据包都有一个MAC地址头么？

我们知道每一块以太网卡都有一个MAC地址,这个地址是唯一的,那么IP包是如何知道这个MAC地址的？

这就是ARP协议的工作.

ARP〔地址解析〕协议是一种解析协议,本来主机是完全不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个接口,当主机要发送一个IP包的时候,会首先查一下自己的ARP高速缓存〔就是一个IP-MAC地址对应表缓存〕,如果查询的IP－MAC值对不存在,那么主机就向网络发送一个ARP协议广播包,这个广播包里面就有待查询的IP地址,而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的IP地址,如果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件,那么就准备好一个包含自己的MAC地址的ARP包传送给发送ARP广播的主机,而广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存〔就是存放IP-MAC对应表的地方〕.发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的的数据包发送工作.

一个典型的arp缓存信息如下,在任意一个系统里面用"arp-a"命令:

都会得到这样的结果.

这样的高速缓存是有时限的,一般是20分钟〔伯克利系统的衍生系统〕.

3.RARP协议〔略〕

TCP/IP详解学习笔记<4>-ICMP协议,ping和Traceroute

1.IMCP协议介绍

前面讲到了,IP协议并不是一个可靠的协议,它不保证数据被送达,那么,自然的,保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成.其中一个重要的模块就是ICMP<网络控制报文>协议.

当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达,路由不可达等等,ICMP协议将会把错误信息封包,然后传送回给主机.给主机一个处理错误的机会,这也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因.ICMP数据包由8bit的错误类型和8bit的代码和16bit的校验和组成.而前16bit就组成了ICMP所要传递的信息.书上的图6－3清楚的给出了错误类型和代码的组合代表的意思.

尽管在大多数情况下,错误的包传送应该给出ICMP报文,但是在特殊情况下,是不产生ICMP错误报文的.如下：

1ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文〔出IMCP查询报文〕〔防止IMCP的无限产生和传送〕

2目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报.

3作为链路层广播的数据报.

4不是IP分片的第一片.

5源地址不是单个主机的数据报.这就是说,源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址.

虽然里面的一些规定现在还不是很明白,但是所有的这一切规定,都是为了防止产生ICMP报文的无限传播而定义的.

ICMP协议大致分为两类,一种是查询报文,一种是差错报文.其中查询报文有以下几种用途:

6ping查询〔不要告诉我你不知道ping程序〕

7子网掩码查询〔用于无盘工作站在初始化自身的时候初始化子网掩码〕

8时间戳查询〔可以用来同步时间〕

而差错报文则产生在数据传送发生错误的时候.就不赘述了.

2.ICMP的应用--ping

ping可以说是ICMP的最著名的应用,当我们某一个上不去的时候.通常会ping一下这个.ping会回显出一些有用的信息.一般的信息如下:

ping这个单词源自声纳定位,而这个程序的作用也确实如此,它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达.原理是用类型码为0的ICMP发请求,受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应.ping程序来计算间隔时间,并计算有多少个包被送达.用户就可以判断网络大致的情况.我们可以看到,ping给出来了传送的时间和TTL的数据.我给的例子不太好,因为走的路由少,有兴趣地可以ping一下国外的比如,就可以观察到一些丢包的现象,而程序运行的时间也会更加的长.

ping还给我们一个看主机到目的主机的路由的机会.这是因为,ICMP的ping请求数据报在每经过一个路由器的时候,路由器都会把自己的ip放到该数据报中.而目的主机则会把这个ip列表复制到回应icmp数据包中发回给主机.但是,无论如何,ip头所能纪录的路由列表是非常的有限.如果要观察路由,我们还是需要使用更好的工具,就是要讲到的Traceroute.

3.ICMP的应用--Traceroute

Traceroute是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具,也是最便利的工具.前面说到,尽管ping工具也可以进行侦测,但是,因为ip头的限制,ping不能完全的记录下所经过的路由器.所以Traceroute正好就填补了这个缺憾.

Traceroute的原理是非常非常的有意思,它受到目的主机的IP后,首先给目的主机发送一个TTL=1〔还记得TTL是什么吗？

〕的UDP<后面就知道UDP是什么了>数据包,而经过的第一个路由器收到这个数据包以后,就自动把TTL减1,而TTL变为0以后,路由器就把这个包给抛弃了,并同时产生一个主机不可达的ICMP数据报给主机.主机收到这个数据报以后再发一个TTL=2的UDP数据报给目的主机,然后刺激第二个路由器给主机发ICMP数据报.如此往复直到到达目的主机.这样,traceroute就拿到了所有的路由器ip.从而避开了ip头只能记录有限路由IP的问题.

有人要问,我怎么知道UDP到没到达目的主机呢？

这就涉与一个技巧的问题,TCP和UDP协议有一个端口号定义,而普通的网络程序只监控少数的几个较小的端口,比如说80,比如说23,等等.而traceroute发送的是端口号>30000<真变态>的UDP报,所以到达目的主机的时候,目的主机只能发送一个端口不可达的ICMP数据报给主机.主机接到这个报告以后就知道,主机到了,所以,说Traceroute是一个骗子一点也不为过:

>

Traceroute程序里面提供了一些很有用的选项,甚至包含了IP选路的选项,请察看man文档来了解这些,这里就不赘述了.

TCP/IP详解学习笔记<5>-IP选路,动态选路,和一些细节

1.静态IP选路

1.1.一个简单的路由表

选路是IP层最重要的一个功能之一.前面的部分已经简单的讲过路由器是通过何种规则来根据IP数据包的IP地址来选择路由.这里就不重复了.首先来看看一个简单的系统路由表.

对于一个给定的路由器,可以打印出五种不同的flag.

1U表明该路由可用.

2G表明该路由是到一个网关.如果没有这个标志,说明和Destination是直连的,而相应的Gateway应该直接给出Destination的地址.

3D表明该路由是为重定向报文创建的

4M该路由已经被重定向报文修改

U没啥可说的,G说明这是一个网关,如果你要发数据给Destination,IP头应该写Destination的IP地址,而数据链路层的MAC地址就应该是GateWay的Mac地址了；反之,如果没有G标志,那么数据链路层和IP层的地址应该是对应的.H说明了Destination的性质,如果是H的,则说明该地址是一个完整的地址,既有网络号又有主机号,那么再匹配的时候就既要匹配网络号,又要匹配主机号；反之,Destination就代表一个网络,在匹配的时候只要匹配一下网络号就可以了.

这样,IP选路的方式就可以更加具体化了.如下

5首先用IP地址来匹配那些带H标志的DestinationIP地址.

6如果1失败就匹配那些网络地址.

7如果2失败就发送到Default网关

顺便提一下那个GenMask〔还记得子网掩码么〕,它指定了目的地址的子网号,例如第一条的子网就是11.

1.2.其他有关路由表的知识

一般,我们在配置好一个网络接口的时候,一个路由就被直接创建好了.当然我们也可以手动添加路由.用routeadd命令就可以了.

而当一个IP包在某一个路由器的时候发现没有路由可走,那么该路由器就会给源主机发送"主机不可达"或者"网络不可达"的ICMP包来报错.

注意,一般的操作系统默认是没有路由功能的,这需要自己配置.这些历史原因就不细说了,

1.3.ICMP的IP重定向报文和路由发现报文

当IP包在某一个地方转向的时候,都回给发送IP报的源主机一个ICMP重定向报文,而源主机就可以利用这个信息来更新自己的路由表,这样,随着网络通信的逐渐增多,路由表也就越来越完备,数据转发的速度也会越来越快.我们需要注意的是：

8重定向报文只能由路由器发出.

9重定向报文为主机所用,而不是为路由器所用.

在主机引导的时候,一般会发送在网内广播一个路由请求的ICMP报文,而多个路由器则会回应一个路由通告报文.而且,路由其本身不定期的在网络内发布路由通告报文,这样,根据这些报文,每一个主机都会有机会建立自己的路由表而实现网络通信.路由器在一份通告报文中可以通告多个地址,并且给出每一个地址的优先等级,这个优先等级是该IP作为默认路由的等级,至于怎么算的就不深究了.

路由器一般会在450-600秒的时间间隔内发布一次通告,而一个给定的通告报文的寿命是30分钟.而主机在引导的时候会每三秒发送一次请求报文,一旦接受到一个有效的通告报文,就停止发送请求报文.

在TCP/IP详解编写的时候,只有Solaris2.x支持这两种报文,大多数系统还不支持这两种报文.〔后面还会讲到一些有用的路由报文〕

动态选路协议

前面的选路方法叫做静态选路,简要地说就是在配置接口的时候,以默认的方式生成路由表项.并通过route来增加表项,或者通过ICMP报文来更新表项〔通常在默认方式出错的情况下〕.而如果上诉三种方法都不能满足,那么我们就使用动态选路.

动态选路协议是用于动态选路的重要组成部分,但是他们只是使用在路由器之间,相邻路由器之间互相通信.系统〔路有选择程序〕选择比较合适的路有放到核心路由表中,然后系统就可以根据这个核心路有表找到最合适的网路.也就是说,动态选路是在系统核心网络外部进行的,它只是用一些选路的策略影响路由表,而不会影响到最后通过路由表选择路由的那一部分.选路协议有一大类常用的叫做内部网关协议,而在IGP中,RIP就是其中最重要的协议.一种新的IGP协议叫做开放最短路经优先协议,其意在取代RIP.另一种最早用在网路骨干网上的IGP协议--HELLO,现在已经不用了.

如今,任何支持动态选路的路由器都必须同时支持OSPF和RIP,还可以选择性的支持其他的IGP协议.

2.1.Unix选路程序

Unix系统上面通常都有路由守护程序－－routed.还有一个叫做gate.gate所支持的协议要比routed多,routed只是支持RIPv1版本.而gate则支持RIPv1、v2,BGPv1等等.

2.1.RIP：

选路信息协议

它的定义可以在RFC1058内找到,这种协议使用UDP作为载体〔也就是UDP的上层协议〕.我们最关心的就是RIP其中的一个段,叫做度量的段,这是一个以hop作为计数器〔就是以走过多少路由为计数器〕的段〔IP协议里面也有一个TTL不是么〕.这个度量段将最终影响到路由表的建立.参考图:

一般说来routed要承担如下的工作：

10给每一个已知的路由器发送rip请求报文,要求其他路由器给出完整的路由表.这种报文的命令字段为1,地址字段为0,度量地段为16〔相当于无穷大〕.

11接受请求,如果接收到刚才的那个请求,就把自己的完整的路由表交给请求者.如果没有,就处理IP请求表项,把表项中自己有的部分添上跳数,没有的部分添上16.然后发给请求者.

12接受回应.更新自己的路由表.使用hop数小的规则.

13定期更新路由表,一般是30s<真频繁>给相邻的路有启发一次自己的路由表.这种形式可以使广播形式的.

这个协议看起来会工作的很好,但是,这里面其实有很多隐藏的忧患,比如说RIP没有子网的概念,比如说环路的危险.而且hop数的上限也限制了网络的大小.

因此,出现了很多RIPv1的替代品,比如说RIPv2,比如说OSPF.他们都是通过某种策略来影响路由表,所以就不说了.

TCP/IP详解学习笔记<6>-UDP协议

1.UDP简要介绍

UDP是传输层协议,和TCP协议处于一个分层中,但是与TCP协议不同,UDP协议并不提供超时重传,出错重传等功能,也就是说其是不可靠的协议.

2.UDP协议头

2.1.UDP端口号

由于很多软件需要用到UDP协议,所以UDP协议必须通过某个标志用以区分不同的程序所需要的数据包.端口号的功能就在于此,例如某一个UDP程序A在系统中注册了3000端口,那么,以后从外面传进来的目的端口号为3000的UDP包都会交给该程序.端口号理论上可以有2^16这么多.因为它的长度是16个bit

2.2.UDP检验和

这是一个可选的选项,并不是所有的系统都对UDP数据包加以检验和数据<相对TCP协议的必须来说>,但是RFC中标准要求,发送端应该计算检验和.

UDP检验和覆盖UDP协议头和数据,这和IP的检验和是不同的,IP协议的检验和只是覆盖IP数据头,并不