网络协议

Posted 2020-07-29 zhanghuan_wangkai

TCP/IP协议，或称为TCP/IP协议栈，或互联网协议系列。

TCP/IP协议栈
(按TCP/IP参考模型划分)

应用层	FTP	SMTP	HTTP	...
传输层	TCP		UDP
网络层	IP ICMP			ARP
链路层	以太网	令牌环	FDDI	...

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。I P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

随着互联网的发展，目前流行的IPv4协议(IP Version 4，IP版本四)已经接近它的功能上限。IPv4最致命的两个缺陷在与:

a:地址只有32位，IP地址空间有限; 

b:不支持服务等级(Quality of Service, Qos)的想法，无法管理带宽和优先级，故而不能很好的支持现今越来越多的实时的语音和视频应用。因此IPv6 (IP Version 6, IP版本六) 浮出海面，用以取代IPv4。 

TCP/IP成功的另一个因素在与对为数众多的低层协议的支持。这些低层协议对应与OSI模型 中的第一层(物理层)和第二层(数据链路层)。每层的所有协议几乎都有一半数量的支持TCP/IP，例如: 以太网(Ethernet)，令牌环(Token Ring)，光纤数据分布接口(FDDI)，端对端协议( PPP)，X.25，帧中继(Frame Relay)，ATM，Sonet, SDH等。

TCP/IP的通讯协议

这部分简要介绍一下TCP/IP的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP协议组之所以流行，部分原因是因为它可以用在各种各样的信道和底层协议（例如T1和X.25、以太网以及RS-232串行接口）之上。  
确切地说，TCP/IP协议是一组包括TCP协议和IP协议、UDP（User Datagram Protocol）协议、ICMP（Internet Control Message Protocol）协议和其他一些协议的协议组。

ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。它是TCP/IP协议族的一个子协议，ICMP数据包是封装在IP数据包中的，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它是TCP/IP协议族的一个子协议，属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。从技术角度来说，ICMP就是一个“错误侦测与回报机制”，其目的就是让我们能够检测网路的连线状况﹐也能确保连线的准确性。

我们在网络中经常会使用到ICMP协议，比如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。还有其他的网络命令如跟踪路由的Tracert命令也是基于ICMP协议的。

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。

今天我去面试，他问我ICMP用的是什么端口？我一下子懵了，然后他就又问我用PING的话，是用的什么端口？？？？我又懵了！！！请高手指教！！！

ICMP是:Internet 控制信息协议（ICMP）是 IP 组的一个整合部分。通过 IP 包传送的 ICMP 信息主要用于涉及网络操作或错误操作的不可达信息。 ICMP 包发送是不可靠的，所以主机不能依靠接收 ICMP 包解决任何网络问题。ICMP不象TCP或UDP有端口，但它确实含有两个域：类型(type)和代码(code)。而且这些域的作用和端口也完全不同。
Ping用到的是ICMP协议。不是端口。icmp没有端口号，有协议号，在IP报头中的协议类型字段中可以看到。icmp的协议号是1；（ICMP报文在IP帧结构的首部，协议类型字段（Protocol 8bit)的值=1.）

TCP/IP整体构架概述

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。

TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型,其中每一层执行某一特定任务。该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。这7层是:物理层、数据链路层、网路层、传输层、话路层、表示层和应用层。而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：

应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等。

传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

互连网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机（但不检查是否被正确接收），如网际协议（IP）。

网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、Serial Line等）来传送数据。 

TCP/IP中的协议

以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能，都是如何工作的： 
1． IP

网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。

IP层接收由更低层（网络接口层例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层---TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。

高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IP source routing，可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好象是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自于它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明了它可以被用来欺骗系统来进行平常是被禁止的连接。那么，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。

2. TCP

tcp协议：负责将发送的数据分解，将大的数据分解成小的数据包（一个100m的东西，可能被分解成几十个数据包），然后再每一个数据包中加入必要的信息（比如:数据包序列号，出发地址，接受地址，纠错信息等）；

如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向‘上’传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。

TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。

面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

3.UDP

UDP与TCP位于同一层，但对于数据包的顺序错误或重发。因此，UDP不被应用于那些使用虚电路的面向连接的服务，UDP主要用于那些面向查询---应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP（网落时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。

欺骗UDP包比欺骗TCP包更容易，因为UDP没有建立初始化连接（也可以称为握手）（因为在两个系统间没有虚电路），也就是说，与UDP相关的服务面临着更大的危险。

4.ICMP

ICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的的控制信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。ICMP的‘Redirect’信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而‘Unreachable’信息则指出路径有问题。另外，如果路径不可用了，ICMP可以使TCP连接‘体面地’终止。PING是最常用的基于ICMP的服务。

5. TCP和UDP的端口结构

TCP和UDP服务通常有一个客户/服务器的关系，例如，一个Telnet服务进程开始在系统上处于空闲状态，等待着连接。用户使用Telnet客户程序与服务进程建立一个连接。客户程序向服务进程写入信息，服务进程读出信息并发出响应，客户程序读出响应并向用户报告。因而，这个连接是双工的，可以用来进行读写。

两个系统间的多重Telnet连接是如何相互确认并协调一致呢？TCP或UDP连接唯一地使用每个信息中的如下四项进行确认：

源IP地址---发送包的IP地址。

目的IP地址---接收包的IP地址。

源端口---源系统上的连接的端口。

目的端口---目的系统上的连接的端口。

端口是一个软件结构，被客户程序或服务进程用来发送和接收信息。一个端口对应一个16比特的数。服务进程通常使用一个固定的端口，例如，SMTP使用25、Xwindows使用6000。这些端口号是‘广为人知’的，因为在建立与特定的主机或服务的连接时，需要这些地址和目的地址进行通讯。 

5.3 IP路由规则

对于要发出的IP包，IP必须决定如何发送，是采用直接发送还是非直接发送，这是在路由表的帮助下完成的。对于传入的IP包，IP模块必须能够识别它是不是自己需要的包，如果是自己需要的，就把数据传送到上一层协议中，如果不需要则进行转发。在IP包达到目的地址后，它不再转发了。

5.4 IP地址

IP地址是由网络管理者为一台计算机指定的地址，IP地址的一部分作为网络号，另一部分作为网络中的主机号。具体内容请大家查询相关资料。IP地址是由NIC管理的，所有直接连接到Internet上的计算机如果需要IP地址，必须和NIC联系，由它指定；如果您需要建立自己的网络，那相应的网络号也需要从NIC取得。

NIC：网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器，是电脑与局域网相互连接的设备。无论是普通电脑还是高端服务器，只要连接到局域网，就都需要安装一块网卡。如果有必要，一台电脑也可以同时安装两块或多块网卡。网卡的主要工作原理是整理计算机上发往网线上的数据，并将数据分解为适当大小的数据包之后向网络上发送出去。对于网卡而言，每块网卡都有一个唯一的网络节点地址，它是网卡生产厂家在生产时烧入ROM（只读存储芯片）中的，我们把它叫做MAC地址（物理地址），且保证绝对不会重复。

5.5 名称

人们喜欢使用计算机的名称，而不喜欢使用数字来标记一台计算机，对于小型网络，计算机名和IP地址的对应表可以保存在每台计算机上，如果是一个大型网络，则需要一台专用的计算机来负责IP地址到计算机名的转换。下面就是一个IP地址和计算机名的对应表。

223.1.2.1 alpha

223.1.2.2 beta

223.1.2.3 gamma

223.1.2.4 delta

223.1.3.2 epsilon

223.1.4.2 iota

前一列是IP地址，后一列是计算机名。您可以为一个计算机名指定多个IP地址，那么通过哪一个IP地址都可以访问这台计算机。这个拥有多个IP地址的计算机在接收到包后，可以根据目的地址知道是不是发向自己的包，这个目的地址可以是自己的任何一个地址。名称也用于网络号，下面就是一个例子：

223.1.2 development

223.1.3 accounting

223.1.4 factory

前一列是IP地址，后一列是网络名。我们可以这个表上面的表对比一下，看看各个计算机属于什么网络。

5.6 IP路由表

我们上面已经提到过路由表这个名词，下面我们就仔细看一下这张表。它通常是由下面几列构成的：IP网络号，直接/非直接标记，路由器IP地址和接口号。这张表一般由管理员负责维护，因为是他为你的计算机指定了IP地址。

 

7.2 IP协议 

IP协议（Internet Protocol）是网络层协议，它主要完成数据包的发送作用，用在因特网上，TCP，UDP，ICMP，IGMP数据都是按照IP数据格式发送得。IP协议提供的是不可靠无连接得服务。IP数据包由一个头部和一个正文部分构成。正文主要是传输的数据，我们主要来理解头部数据，可以从其理解到IP协议。下面这个表是IP4的数据包格式

0 4 8 16 32 
-------------------------------------------------- 
|版本 |首部长度|服务类型| 数据包总长 | 
-------------------------------------------------- 
| 标识 |DF |MF| 碎片偏移 | 
-------------------------------------------------- 
| 生存时间 | 协议 | 首部较验和 | 
------------------------------------------------ 
| 源IP地址 | 
------------------------------------------------ 
| 目的IP地址 | 
------------------------------------------------- 
| 选项 | 
================================================= 
| 数据 | 
-------------------------------------------------

ip_vIP协议的版本号,这里是4,现在IPV6已经出来了

ip_hlIP包首部长度,这个值以4字节为单位.

IP头部由20字节的固定长度和一个可选任意长度部分构成。

7.3 ICMP协议 
ICMP是消息控制协议,也处于网络层.在网络上传递IP数据包时,如果发生了错误,那么就会用ICMP协议来报告错误.

ICMP包的结构如下:

0 8 16 32 
--------------------------------------------------------------------- 
| 类型 | 代码 | 校验和 | 
-------------------------------------------------------------------- 
| 数据 | 数据 | 
---------------------------

最近狂补基础，猛看TCP/IP协议。不过，书上的东西太抽象了，没有什么数据实例，看了不 久就忘了。于是，搬来一个sniffer，抓了数据包来看，呵呵，结合书里面得讲解，理解得 比较快。我就来灌点基础知识。　

开始吧，先介绍IP协议。　

IP协议（Internet Protocol）是网络层协议，用在因特网上，TCP，UDP，ICMP，IGMP数据都是按照IP数据格式发送得。IP协议提供的是不可靠无连接得服务。IP数据包由一个头部和一个正文部分构成。正文主要是传输的数据，我们主要来理解头部数据，可以从其理解到IP协议。　

IP数据包头部格式（RFC791）

Example Internet Datagram Header　

上面的就是IP数据的头部格式，这里大概地介绍一下。　

IP头部由20字节的固定长度和一个可选任意长度部分构成，以大段点机次序传送，从左到 右。　

TCP协议　

TCP协议（TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL）是传输层协议，为应用层提供服务，和UDP不同的是，TCP协议提供的可靠的面向连接的服务。在RFC793中是基本的TCP描述。关于TCP协议的头部格式内容的说明：　

TCP Header FORMat　

　

TCP Header FORMat　

跟IP头部差不多，基本的长度也是20字节。TCP数据包是包含在一个IP数据报文中的。　

好了，简单介绍到此为止。来看看我捕获的例子吧。这是一次FTP的连接，呵呵，是cuteftp默认的cuteftp的FTP站点，IP地址是：216.3.226.21。我的IP地址假设为:192.168.1.1。下面的数据就是TCP/IP连接过程中的数据传输。我们可以分析TCP/IP协议数据格式以及TCP/IP连接的三次握手（ThreeWay-Handshake）情况。下面的这些十六进制数据只是TCP/IP协议的数据，不是完整的网络通讯数据。　

第一次，我向FTP站点发送连接请求（我把TCP数据的可选部分去掉了）　

192.168.1.1->216.3.226.21　 
IP头部： 45 00 00 30 52 52 40 00 80 06 2c 23 c0 a8 01 01 d8 03 e2 15　 
TCP头部：0d 28 00 15 50 5f a9 06 00 00 00 00 70 02 40 00 c0 29 00 00　

来看看IP头部的数据是些什么。　

第一字节，“45”，其中“4”是IP协议的版本（Version），说明是IP4。“5”是IHL位，表示IP头部的长度，是一个4bit字段，最大就是1111了，值为12，IP头部的最大长度就是60字节。而这里为“5”，说明是20字节，这是标准的IP头部长度，头部报文中没有发送可选部分数据。　

接下来的一个字节“00”是服务类型（Type of Service）。这个8bit字段由3bit的优先权子字段（现在已经被忽略），4 bit的TOS子字段以及1 bit的未用字段（现在为0）构成.4 bit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1bit位最多只能有一个为1，本例中都为0，表示是一般服务。　

接着的两个字节“00 30”是IP数据报文总长，包含头部以及数据，这里表示48字节。这48字节由20字节的IP头部以及28字节的TCP头构成（本来截取的TCP头应该是28字节的，其中8字节为可选部分，被我省去了）。因此目前最大的IP数据包长度是65535字节。　

tcpdump 与wireshark

Wireshark(以前是ethereal)是Windows下非常简单易用的抓包工具。但在Linux下很难找到一个好用的图形化抓包工具。
还好有Tcpdump。我们可以用Tcpdump + Wireshark 的完美组合实现：在 Linux 里抓包，然后在Windows 里分析包。tcpdump 对截获的数据并没有进行彻底解码，数据包内的大部分内容是使用十六进制的形式直接打印输出的。显然这不利于分析网络故障，通常的解决办法是先使用带-w参数的tcpdump 截获数据并保存到文件中，然后再使用其他程序(如Wireshark)进行解码分析。当然也应该定义过滤规则，以避免捕获的数据包填满整个硬盘。