用协议分析工具学习TCPIP非常之经典.docx
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用协议分析工具学习TCPIP非常之经典
用协议分析工具学习TCP/IP
目录
前言
试验环境
测试过程
过程分析
一、前言
目前，网络的速度发展非常快，学习网络的人也越来越多，稍有网络常识的人都知道TCP/IP协议是网络的基础，是Internet的语言，可以说没有TCP/IP协议就没有互联网的今天。
目前号称搞网的人非常多，许多人就是从一把夹线钳，一个测线器联网开始接触网络的，如果只是联网玩玩，知道几个Ping之类的命令就行了，如果想在网络上有更多的发展不管是黑道还是红道，必须要把TCP/IP协议搞的非常明白。
学习过TCP/IP协议的人多有一种感觉，这东西太抽象了，没有什么数据实例，看完不久就忘了。
本文将介绍一种直观的学习方法，利用协议分析工具学习TCP/IP，在学习的过程中能直观的看到数据的具体传输过程。
为了初学者更容易理解，本文将搭建一个最简单的网络环境，不包含子网。
二、试验环境
1、网络环境
如图1所示
图1
为了表述方便，下文中208号机即指地址为192.168.113.208的计算机，1号机指地址为192.168.113.1的计算机。
2、操作系统
两台机器都为Windows2000，1号机机器作为服务器，安装FTP服务
3、协议分析工具
Windows环境下常用的工具有：
SnifferPro、Natxray、Iris以及windows2000自带的网络监视器等。
本文选用Iris作为协议分析工具。
在客户机208号机安装IRIS软件。
三、测试过程
1、测试例子：
将1号机计算机中的一个文件通过FTP下载到208号机中。
2、IRIS的设置。
由于IRIS具有网络监听的功能，如果网络环境中还有其它的机器将抓很多别的数据包，这样为学习带来诸多不便，为了清楚地看清楚上述例子的传输过程首先将IRIS设置为只抓208号机和1号机之间的数据包。
设置过程如下：
1）用热键CTRL+B弹出如图所示的地址表，在表中填写机器的IP地址，为了对抓的包看得更清楚不要添主机的名字（name）,设置好后关闭此窗口。
图2
2）用热键CTRL+E弹出如图所示过滤设置，选择左栏“IPaddress”，右栏按下图将addressbook中的地址拽到下面，设置好后确定，这样就这抓这两台计算机之间的包。
图3
3、抓包
按下IRIS工具栏中开始按钮。
在浏览器中输入：
FTP:
//192.168.113.1，找到要下载的文件，鼠标右键该文件，在弹出的菜单中选择“复制到文件夹”开始下载，下载完后在IRIS工具栏中按按钮停止抓包。
图4显示的就是FTP的整个过程，下面我们将详细分析这个过程。
图4
说明：
为了能抓到ARP协议的包，在WINDOWS2000中运行arp–d清除arp缓存。
四、过程分析
1、TCP/IP的基本原理
本文的重点虽然是根据实例来解析TCP/IP，但要讲明白下面的过程必须简要讲一下TCP/IP的基本原理。
A．网络是分层的，每一层分别负责不同的通信功能。
TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，TCP/IP协议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。
尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP和IP只是其中的两种协议而已，如表1所示。
每一层负责不同的功能：
表1
分层的概念说起来非常简单，但在实际的应用中非常的重要，在进行网络设置和排除故障时对网络层次理解得很透，将对工作有很大的帮助。
例如：
设置路由是网络层IP协议的事，要查找MAC地址是链路层ARP的事，常用的Ping命令由ICMP协议来做的。
图5显示了各层协议的关系，理解它们之间的关系对下面的协议分析非常重要。
图5
b.数据发送时是自上而下，层层加码；数据接收时是自下而上，层层解码。
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6所示。
TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段。
IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报。
通过以太网传输的比特流称作帧（Frame）。
数据发送时是按照图6自上而下，层层加码；数据接收时是自下而上，层层解码。
图6
c.逻辑上通讯是在同级完成的
垂直方向的结构层次是当今普遍认可的数据处理的功能流程。
每一层都有与其相邻层的接口。
为了通信，两个系统必须在各层之间传递数据、指令、地址等信息，通信的逻辑流程与真正的数据流的不同。
虽然通信流程垂直通过各层次，但每一层都在逻辑上能够直接与远程计算机系统的相应层直接通信。
从图7可以看出，通讯实际上是按垂直方向进行的，但在逻辑上通信是在同级进行的。
图7
2、过程描述
为了更好的分析协议，我们先描述一下上述例子数据的传输步骤。
如图8所示：
1）FTP客户端请求TCP用服务器的IP地址建立连接。
2）TCP发送一个连接请求分段到远端的主机，即用上述IP地址发送一份IP数据报。
3）如果目的主机在本地网络上，那么IP数据报可以直接送到目的主机上。
如果目的主机在一个远程网络上，那么就通过IP选路函数来确定位于本地网络上的下一站路由器地址，并让它转发IP数据报。
在这两种情况下，IP数据报都是被送到位于本地网络上的一台主机或路由器。
4）本例是一个以太网，那么发送端主机必须把32位的IP地址变换成48位的以太网地址，该地址也称为MAC地址，它是出厂时写到网卡上的世界唯一的硬件地址。
把IP地址翻译到对应的MAC地址是由ARP协议完成的。
5）如图的虚线所示，ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，这个过程称作广播。
ARP请求数据帧中包含目的主机的IP地址，其意思是“如果你是这个IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。
”
6）目的主机的ARP层收到这份广播后，识别出这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。
这个ARP应答包含IP地址及对应的硬件地址。
7）收到ARP应答后，使ARP进行请求—应答交换的IP数据包现在就可以传送了。
8）发送IP数据报到目的主机。
图8
3、实例分析
下面通过分析用iris捕获的包来分析一下TCP/IP的工作过程，为了更清晰的解释数据传送的过程，我们按传输的不同阶段抓了四组数据，分别是查找服务器、建立连接、数据传输和终止连接。
每组数据，按下面三步进行解释。
显示数据包
解释该数据包
按层分析该包的头信息
上篇我们搭建一个最简单的网络环境，下面通过分析用iris捕获的包来分析一下TCP/IP的工作过程，为了更清晰的解释数据传送的过程，我们按传输的不同阶段抓了四组数据，分别是查找服务器、建立连接.
目录
第一组查找服务器
1）显示的是1、2行的数据
2）解释数据包
3）头信息分析
第二组建立连接
1）显示的是3-5行的数据
2）解释数据包
3）头信息分析
第一组查找服务器
1）下图显示的是1、2行的数据
图9
2）解释数据包
这两行数据就是查找服务器及服务器应答的过程。
在第1行中，源端主机的MAC地址是00:
50:
FC:
22:
C7:
BE。
目的端主机的MAC地址是FF:
FF:
FF:
FF:
FF:
FF，这个地址是十六进制表示的，F换算为二进制就是1111，全1的地址就是广播地址。
所谓广播就是向本网上的每台网络设备发送信息，电缆上的每个以太网接口都要接收这个数据帧并对它进行处理，这一行反映的是步骤5）的内容，ARP发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。
网内的每个网卡都接到这样的信息“谁是192.168.113.1的IP地址的拥有者，请将你的硬件地址告诉我”。
第2行反映的是步骤6）的内容。
在同一个以太网中的每台机器都会"接收"到这个报文，但正常状态下除了1号机外其他主机应该会忽略这个报文，而1号的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。
告知自己的IP地址和MAC地址。
第2行可以清楚的看出1号回答的信息__自己的MAC地址00:
50:
FC:
22:
C7:
BE。
这两行反映的是数据链路层之间一问一答的通信过程。
这个过程就像我要在一个坐满人的教室找一个叫“张三”的人，在门口喊了一声“张三”，这一声大家都听见了，这就叫广播。
张三听到后做了回应，别人听到了没做回应，这样就与张三取得了联系。
3）头信息分析
如下图左栏所示，第1数据包包含了两个头信息：
以太网（Ethernet）和ARP。
图10
下表2是以太网的头信息，括号内的数均为该字段所占字节数，以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。
目的地址为全1的特殊地址是广播地址。
电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。
两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。
对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0806。
第2行中可以看到，尽管ARP请求是广播的，但是ARP应答的目的地址却是1号机的（0050FC22C7BE）。
ARP应答是直接送到请求端主机的。
表2
下表3是ARP协议的头信息。
硬件类型字段表示硬件地址的类型。
它的值为1即表示以太网地址。
协议类型字段表示要映射的协议地址类型。
它的值为0800即表示IP地址。
它的值与包含IP数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同。
接下来的两个1字节的字段，硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。
对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说，它们的值分别为6和4。
Op即操作（Opoperation），1是ARP请求、2是ARP应答、3是RARP请求和4为RARP应答，第二行中该字段值为2表示应答。
接下来的四个字段是发送端的硬件地址、发送端的IP地址、目的端的硬件地址和目的端IP地址。
注意，这里有一些重复信息：
在以太网的数据帧报头中和ARP请求数据帧中都有发送端的硬件地址。
对于一个ARP请求来说，除目的端硬件地址外的所有其他的字段都有填充值。
表3的第2行为应答，当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后，它就把硬件地址填进去，然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2，最后把它发送回去。
表3
第二组建立连接
1）下图显示的是3-5行的数据
图11
2）解释数据包
这三行数据是两机建立连接的过程。
这三行的核心意思就是TCP协议的三次握手。
TCP的数据包是靠IP协议来传输的。
但IP协议是只管把数据送到出去，但不能保证IP数据报能成功地到达目的地，保证数据的可靠传输是靠TCP协议来完成的。
当接收端收到来自发送端的信息时，接受端详发送短发送一条应答信息，意思是：
“我已收到你的信息了。
”第三组数据将能看到这个过程。
TCP是一个面向连接的协议。
无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。
建立连接的过程就是三次握手的过程。
这个过程就像要我找到了张三向他借几本书，第一步：
我说：
“你好，我是担子”，第二步：
张三说：
“你好，我是张三”，第三步：
我说：
“我找你借几本书。
”这样通过问答就确认对方身份，建立了联系。
下面来分析一下此例的三次握手过程。
1））请求端208号机发送一个初始序号（SEQ）987694419给1号机。
2））服务器1号机收到这个序号后，将此序号加1值为987694419作为应答信号（ACK），同时随机产生一个初始序号（SEQ）1773195208，这两个信号同时发回到请求端208号机，意思为：
“消息已收到，让我们的数据流以1773195208这个数开始。
”
3））请求端208号机收到后将确认序号设置为服务器的初始序号（SEQ）1773195208加1为1773195209作为应答信号。
以上三步完成了三次握手，双方建立了一条通道，接下来就可以进行数据传输了。
下面分析TCP头信息就可以看出，在握手过程中TCP头部的相关字段也发生了变化。
3）头信息分析
如图12所示，第3数据包包含了三头信息：
以太网（Ethernet）和IP和TCP。
头信息少了ARP多了IP、TCP，下面的过程也没有ARP的参与，可以这样理解，在局域网内，ARP负责的是在众多联网的计算机中找到需要找的计算机，找到工作就完成了。
以太网的头信息与第1、2行不同的是帧类型为0800，指明该帧类型为IP。
图12
IP协议头信息
IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。
从图5可以看出所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输的，有个形象的比喻IP协议就像运货的卡车，将一车车的货物运向目的地。
主要的货物就是TCP或UDP分配给它的。
需要特别指出的是IP提供不可靠、无连接的数据报传送，也就是说IP仅提供最好的传输服务但不保证IP数据报能成功地到达目的地。
看到这你会不会担心你的E_MAIL会不会送到朋友那，其实不用担心，上文提过保证数据正确到达目的地是TCP的工作，稍后我们将详细解释。
如表4是IP协议的头信息。
表4IP数据报格式及首部中的各字段
图12中所宣布分4500—7101为IP的头信息。
这些数是十六进制表示的。
一个数占4位，例如：
4的二进制是0100
4位版本：
表示目前的协议版本号，数值是4表示版本为4，因此IP有时也称作IPv4；
4位首部长度：
头部的是长度，它的单位是32位（4个字节），数值为5表示IP头部长度为20字节。
8位服务类型（TOS）：
00，这个8位字段由3位的优先权子字段，现在已经被忽略，4位的TOS子字段以及1位的未用字段（现在为0）构成。
4位的TOS子字段包含：
最小延时、最大吞吐量、最高可靠性以及最小费用构成，这四个1位最多只能有一个为1，本例中都为0，表示是一般服务。
16位总长度（字节数）：
总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。
数值为0030，换算为十进制为48字节，48字节=20字节的IP头+28字节的TCP头，这个数据报只是传送的控制信息，还没有传送真正的数据，所以目前看到的总长度就是报头的长度。
16位标识：
标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。
通常每发送一份报文它的值就会加1，第3行为数值为3021，第5行为3022，第7行为3023。
分片时涉及到标志字段和片偏移字段，本文不讨论这两个字段。
8位生存时间（TTL）：
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。
它指定了数据报的生存时间。
ttl的初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。
可根据TTL值判断服务器是什么系统和经过的路由器。
本例为80，换算成十进制为128，WINDOWS操作系统TTL初始值一般为128，UNIX操作系统初始值为255，本例表示两个机器在同一网段且操作系统为WINDOWS。
8位协议：
表示协议类型，6表示传输层是TCP协议。
16位首部检验和：
当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16位进行二进制反码的求和。
由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1。
如果结果不是全1，即检验和错误，那么IP就丢弃收到的数据报。
但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。
32位源IP地址和32位目的IP地址：
实际这是IP协议中核心的部分，但介绍这方面的文章非常多，本文搭建的又是一个最简单的网络结构，不涉及路由，本文对此只做简单介绍，相关知识请参阅其它文章。
32位的IP地址由一个网络ID和一个主机ID组成。
本例源IP地址为C0A871D0，转换为十进制为：
192.168.113.208;目的IP地址为C0A87101，转换为十进制为：
192.168.113.1。
网络地址为192.168.113，主机地址分别为1和208，它们的网络地址是相同的所以在一个网段内，这样数据在传送过程中可直接到达。
TCP协议头信息
如表5是ICP协议的头信息。
表5TCP包首部
第三行TCP的头信息是：
042800153ADF055300000000700240009A8D0000020405B401010402
端口号：
常说FTP占21端口、HTTP占80端口、TELNET占23端口等，这里指的端口就是TCP或UDP的端口，端口就像通道两端的门一样，当两机进行通讯时门必须是打开的。
源端口和目的端口各占16位，2的16次方等于65536，这就是每台电脑与其它电脑联系所能开的“门”。
一般作为服务一方每项服务的端口号是固定的。
本例目的端口号为0015，换算成十进制为21，这正是FTP的默认端口，需要指出的是这是FTP的控制端口，数据传送时用另一端口，第三组的分析能看到这一点。
客户端与服务器联系时随机开一个大于1024的端口，本例为0428，换算成十进制为1064。
你的电脑中了木马也会开一个服务端口。
观察端口非常重要，不但能看出本机提供的正常服务，还能看出不正常的连接。
Windows察看端口的命令时netstat。
32位序号：
也称为顺序号（SequenceNumber），简写为SEQ，从上面三次握手的分析可以看出，当一方要与另一方联系时就发送一个初始序号给对方，意思是：
“让我们建立联系吧？
”，服务方收到后要发个独立的序号给发送方，意思是“消息收到，数据流将以这个数开始。
”由此可看出，TCP连接完全是双向的，即双方的数据流可同时传输。
在传输过程中双方数据是独立的，因此每个TCP连接必须有两个顺序号分别对应不同方向的数据流。
32位确认序号：
也称为应答号（AcknowledgmentNumber），简写为ACK。
在握手阶段，确认序号将发送方的序号加1作为回答，在数据传输阶段，确认序号将发送方的序号加发送的数据大小作为回答，表示确实收到这些数据。
在第三组的分析中将看到这一过程。
4位首部长度：
。
这个字段占4位，它的单位时32位（4个字节）。
本例值为7，TCP的头长度为28字节，等于正常的长度20字节加上可选项8个字节。
，TCP的头长度最长可为60字节（二进制1111换算为十进制为15，15*4字节=60字节）。
6个标志位。
URG紧急指针，告诉接收TCP模块紧要指针域指着紧要数据
ACK置1时表示确认号（为合法，为0的时候表示数据段不包含确认信息，确认号被忽略。
PSH置1时请求的数据段在接收方得到后就可直接送到应用程序，而不必等到缓冲区满时才传送。
RST置1时重建连接。
如果接收到RST位时候，通常发生了某些错误。
SYN置1时用来发起一个连接。
FIN置1时表示发端完成发送任务。
用来释放连接，表明发送方已经没有数据发送了。
图13的3个图分别为3-5行TCP协议的头信息，这三行是三次握手的过程，我们看看握手的过程标志位发生了什么？
如图13-1请求端208号机发送一个初始序号（SEQ）987694419给1号机。
标志位SYN置为1。
如图13-2服务器1号机收到这个序号后，将应答信号（ACK）和随机产生一个初始序号（SEQ）1773195208发回到请求端208号机，因为有应答信号和初始序号，所以标志位ACK和SYN都置为1。
如图13-3请求端208号机收到1号机的信号后，发回信息给1号机。
标志位ACK置为1，其它标志为都为0。
注意此时SYN值为0，SYN是标示发起连接的，上两部连接已经完成。
16位窗口大小：
TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。
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。
窗口大小是一个16字节字段，因而窗口大小最大为65535字节。
16位检验和：
检验和覆盖了整个的TCP报文段：
TCP首部和TCP数据。
这是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。
16位紧急指针：
只有当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。
选项：
图13-1和图13-2有8个字节选项，图13-3没有选项。
最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（MaximumSegmentSize）。
每个连接方通常都在握手的第一步中指明这个选项。
它指明本端所能接收的最大长度的报文段。
图13-1可以看出208号机可以接受的最大字节数为1460字节，1460也是以太网默认的大小，在第三组的数据分析中可以看到数据传送正是以1460字节传送的。
握手小结
上面我们分开讲了三次握手，看着有点散，现在小结一下。
上篇我们搭建一个最简单的网络环境，分别介绍了查找服务器、建立连接，下面我们来讨论数据传输和终止连接。
目录
第三组数据传输
1）显示的是1、2行的数据
2）解释数据包
3）头信息分析
第四组终止连接
1）显示的是3-5行的数据
2）解释数据包
3）头信息分析
第三组数据传输
1）下图显示的是57-60行的数据
图14
2）解释数据包
这四行数据是数据传输过程中一个发送一个接收的过程。
前文说过，TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。
当接收端收到来自发送端的信息时，接受端要发送一条应答信息，表示收到此信息。
数据传送时被TCP分割成认为最适合发送的数据块。
一般以太网在传送时TCP将数据分为1460字节。
也就是说数据在发送方被分成一块一块的发送，接受端收到这些数据后再将它们组合在一起。
57行显示1号机给208号机发送了大小为1514字节大小的数据，注意我们前文讲过数据发送时是层层加协议头的，1514字节=14字节以太网头+20字节IP头+20字节TCP头+1460字节数据
58行显示的应答信号ACK为：
1781514222，这个数是57行得SEQ序号1781512762加上传送的数据1460，208号机将这个应答信号发给1号机说明已收到发来的数据。
59、60行显示的是继续传送数据的过程。
这个过程就像我向张三借书，借给我几本我要说：
“我已借了你几本了。
”，他说：
“知道了”。
3）头信息
图15-1和图15-2分别是57行和58行的头信息，解释参考第二组。
第四组终止连接
1）下图显示的是93-96行的数据
图16
2）解释数据包
93-96是两机通讯完关闭的过程。
建立一个连接需要三次握手，而终止一个连接要经过4次握手。
这是因为一个TCP连接是全双工（即数据在两个方向上
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