OSI 7层模型 & TCP/IP协议首部封装格式解析

Posted 2022-12-12 狱典司

概述

1. 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

2. 数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1（端到端）

3. 网络层：为在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。（主机（ip）到主机（ip））

4. 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。 主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。（ 端口（ip+port）到端口（ip+port））

5. 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

6. 表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。

7. 应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

TCP数据包的封装格式

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

以太网帧首部

/* default snap length (maximum bytes per packet to capture) */
#define SNAP_LEN 1518

/* ethernet headers are always exactly 14 bytes [1] */
#define SIZE_ETHERNET 14

/* Ethernet addresses are 6 bytes */
#define ETHER_ADDR_LEN	6

/* Ethernet header */
struct sniff_ethernet 
        u_char  ether_dhost[ETHER_ADDR_LEN];    /* destination host address */
        u_char  ether_shost[ETHER_ADDR_LEN];    /* source host address */
        u_short ether_type;                     /* IP? ARP? RARP? etc */
;

IP首部

IP是TCP/IP协议簇中最为重要的协议。所有的TCP，UDP, ICMP和IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP提供的是不可靠、无连接的协议。

/* IP header */
struct sniff_ip 
        u_char  ip_vhl;                 /* version << 4 | header length >> 2 （8bits）待分割*/
        u_char  ip_tos;                 /* type of service（8bits） */
        u_short ip_len;                 /* total length（16bits） 这个是ip包长度，区分首部长度*/
        u_short ip_id;                  /* identification（16bits） 认证 */
        u_short ip_off;                 /* fragment offset field（16bits）待分割 */
    /*下面三个成员项是对ip_off的借位，u_short共2Bytes即16bits，0x代表16进制位，且每个16进制位对应拓展成4个二进制位*/
        #define IP_RF 0x8000            /* reserved fragment flag（1bits） 保留位 */
        #define IP_DF 0x4000            /* dont fragment flag（1bits） 分片位 */
        #define IP_MF 0x2000            /* more fragments flag（1bits） "是否更多"位 */
        #define IP_OFFMASK 0x1fff       /* mask for fragmenting bits（13bits） */
        u_char  ip_ttl;                 /* time to live TTL*/
        u_char  ip_p;                   /* protocol */
        u_short ip_sum;                 /* checksum */
        struct  in_addr ip_src,ip_dst;  /* source and dest address */
;
#define IP_HL(ip)               (((ip)->ip_vhl) & 0x0f) /* Header Length (4bits)*/ 
#define IP_V(ip)                (((ip)->ip_vhl) >> 4)	/* Version (4bits)*/

TCP首部

TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。如果不计选项字段，它通常是20个字节。

• 4位头部长度： 标识该tcp头部有多少个32bit字（4字节）因为4位最大能表示15，所以tcp头部最长是60字节。

• 6位标志位（即图中的保留6位）：标志位有如下几项

• URG标志，表示紧急指针是否有效

• ACK标志，表示确认号是否有效。称携带ACK标志的tcp报文段为确认报文段

• PSH标志，提示接收端应用程序应该立即从tcp接受缓冲区中读走数据，为接受后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收的数据读走，它们就会一直停留在tcp缓冲区中）

• RST标志，表示要求对方重新建立连接。携带RST标志的tcp报文段为复位报文段。

• SYN标志，表示请求建立一个连接。携带SYN标志的tcp报文段为同步报文段。

• FIN标志，表示通知对方本端要关闭连接了。携带FIN标志的tcp报文段为结束报文段。

• 16位窗口大小：是tcp流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口。它告诉对方本端的tcp接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。

• 16位校验和：由发送端填充，接收端对tcp报文段执行CRC算法以校验tcp报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括tcp头部，也包括数据部分。这也是tcp可靠传输的一个重要保障。

• 16位紧急指针：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号。因此，确切的说，这个字段是紧急指针相对当前序列号的偏移，称为紧急偏移。tcp的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

• 16位选项：TCP头部的最后一个选项字段是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为TCP头部最长是60字节（其中还包含前面讨论的20字节的固定部分）。典型的TCP头部选项结构如图所示。

/* TCP header */
typedef u_int tcp_seq;

struct sniff_tcp 
        u_short th_sport;               /* source port (16bits)*/
        u_short th_dport;               /* destination port (16bits)*/
        tcp_seq th_seq;                 /* sequence number (32bits)*/
        tcp_seq th_ack;                 /* acknowledgement number (32bits)*/
        u_char  th_offx2;               /* data offset, rsvd (8bits,待分割)*/
#define TH_OFF(th)      (((th)->th_offx2 & 0xf0) >> 4)
        u_char  th_flags;
        #define TH_FIN  0x01
        #define TH_SYN  0x02
        #define TH_RST  0x04
        #define TH_PUSH 0x08
        #define TH_ACK  0x10
        #define TH_URG  0x20
        #define TH_ECE  0x40
        #define TH_CWR  0x80
        #define TH_FLAGS        (TH_FIN|TH_SYN|TH_RST|TH_ACK|TH_URG|TH_ECE|TH_CWR)
        u_short th_win;                 /* window */
        u_short th_sum;                 /* checksum */
        u_short th_urp;                 /* urgent pointer */
;