TCPIP协议规范及UIP处理流程.docx

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TCPIP协议规范及UIP处理流程

简要历史

1973年，ARPANET核心组成员VintCerf和BobKahn发表了一篇里程碑论文，阐述了实现分组的端到端交付的协议。

这篇关于传输控制协议（TCP的论文包括：

封装、数据报，以及网关的功能。

后来，TCP被划分为两个协议：

传输控制协议（TCF）和网际互联协议（IP）。

IP处理数据报的路由选

择，而TCP负责高层的一些功能，如分段、重装和差错检测。

这个用来进行网际互联的协议后来就被称为TCP/IP。

TCP/IP协议族

简介

TCP/IP协议族由5层组成：

物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层。

前四层与OSI模型的前四层

相对应，提供物理标准、网络接口、网际互联、以及运输功能。

而应用层与OSI模型中最高的三层相对应。

TCP/IP协议族中的各层包含了一些相对独立的协议。

在物理层和数据链路层，TCP/IP并没有定义任何协议。

在网络层TCP/IP支持网际互联协议（IP），而IP又由四个支撑协议组成：

ARP、RARPICMP和IGMP。

在传

统上，TCP/IP协议族在运输层有两个运输协议：

TCP和UDP,然而现在已经设计出一个新的运输层协议SCTP

以满足新的应用的需要。

IP是主机到主机的协议，即把分组从一个物理设备交付到另一个物理设备。

UDP

和TCP是运输机协议，负责把报文从一个进程（运行着的程序）交付到另一个进程。

编址

使用TCP/IP协议的互联网使用3个等级的地址：

物理（链路）地址、逻辑（IP）地址以及端口地址。

每一种地址属于TCP/IP体系结构中的特定层。

物理地址物理地址也叫链路地址，是结点的地址，由它所在的局域网或广域网定义。

物理地址包含在数据链路层使用的帧中。

以太网的地址是6字节（48位）长，通常用十六进制记法，如：

07:

01:

02:

01:

2C:

4B。

以太网的地址共

3种：

单播、多播和广播。

在单播地址中的第一个字节的最低位0；在多播地址中的第一个字节的最低位

是1。

广播地址是48个1。

逻辑地址

因特网的逻辑地址是32位地址，可以用来标志连接在因特网上的每个主机。

在因特网上没有两个主

机有相同的IP地址。

同样，逻辑地址也可以是单播地址、多播地址和广播地址。

Internet被各种路由器和网关设备分隔成很多网段，为了标识不同的网段，需要把32位的IP地址划分

成网络号和主机号两部分，网络号相同的各主机位于同一网段，相互间可以直接通信，网络号不同的主机之间通信则需要通过路由器转发。

把所有IP地址分为五类，如下图1所示：

图2-1

A类到

B类到

C类到

D类到

E类到

目的地址（DA）

源地址（SA）类型

数据

CRC

ARP报文格式

在分类编址的A类、B类、C类地址中，IP地址可划分为net-id（网络标识）和host-id（主机标识）。

对于A类地址，1字节定义net-id而3字节定义host-id。

对于B类地址，2字节定义net-id,2字节定义host-id。

对于C类地址，3字节定义net-id而1字节定义host-id。

D类地址和E类地址不划分net-id和host-id。

网络地址是一个地址块的第一个地址,向因特网的其余部分定义这个网络。

路由器就是根据网络地址来选择分组的路由。

若给出网络地址,我们就能够找出这个地址的类别、地址块以及这个地址块的地址范围。

这种划分方案有很大的局限性,它对网络的划分是flat的而不是层级结构（hierarchical）的。

Internet上的每个路由器都必须掌握所有网络的信息，随着大量C类网络的出现，路由器需要检索的路由表越来越庞大，

负担越来越重。

于是提出了新的划分方案,称为CIDR（ClasslessInterdomainRouting）。

网络号和主机号的划分需要用一个额外的子网掩码（subnetmask）来表示，而不能由IP地址本身的

数值决定，也就是说，网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关，因此称为Classless

的。

这样，多个子网就可以汇总（summarize）成一个Internet上的网络。

IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号，主机号从全0到全1就是子网的地址范围。

IP地址和子

网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如/24，表示IP地址为，子网掩码的高24位是1，也就是。

目的地址为,表示本网络内部广播,路由器不转发这样的广播数据包。

目的地址的主机号为全1,表示广播至某个网络的所有主机,例如目的地址表示广播至网络（假设子网掩码为）。

端口地址计算机是多进程设备,即可以在同一时间运行多个进程。

因特网通信的最终目的是使一个进程能够和另一个进程通信。

为了能够同时发生这些事情,需要有一种方法对不同的进程打上标号,就是说这些进程需要地址。

在TCP/IP体系结构中，给一个进程指派的标号叫做端口地址。

TCP/IP中的端口地址是16位长，通常

用10进制数表示。

分层数据包介绍

以太网帧

图2-2

DA字段有6字节，是下一站的物理地址（也叫MAC地址）。

SA字段有6字节，是前一站的物理地址。

类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP。

携带从上层协议封装起来的数据。

它的最小长度是46字节,最大长度是1500字节。

ARPRARP的数据包长度不够46字节，要在后面补填充位。

最大值1500称

为以太网的最大传输单元（MTU），如果一个数据包从以太网路由到链路上，数据包的长度大于链路的MTU了,则需要对数据包进行分片差错检测信息,4字节。

图2-3

ARP分组的格式如下：

16位字段，用来定义运行ARP的链路层网络的类型。

以太网是类型1。

16位字段，指要转换的地址类型。

0x0800位IP地址。

8位字段,定义以字节为单位的物理地址长度。

对以太网这个值为6。

8位字段，定义以字节为单位的逻辑地址长度。

对IPv4协议这个值是4。

如上图3所示,

硬件类型协议类型硬件长度协议长度操作

发送端硬件地址

发送端协议地址

16位字段，定义分组的类型。

为1表示ARP请求，为2表示ARP应答。

可变长度字段,定义发送端的物理地址。

定义发送端的逻辑地址。

目标硬件地址

目标协议地址

IP数据报格式

定义目标的物理地址。

道目标的物理地址。

定义目标的逻辑（如，

对于

IP）

ARP请求报文，这个字段是全0，因为发送端不知

地址。

2-4

如上图4所示，版本（VER）首部长度（HLEN）

IP数据报的结构包括：

这个4位字段定义这个4位字段定义长度是20字节，这个字段的值是5（5*4=20）。

当选项字段位最大值时，这个字

IP协议的版本。

IP首部总长度，以4字节为单位计算。

当没有选项时，首部

段的值是15（15*4=60）。

TOS位是4位子字段，共有5种不同的服务类型。

这个16位字段定义了以字节计的数据报总长度（首部加上数据）传来的数据长度，可以从总长度减去首部长度。

总长度字段是16位，因此IP

数据报的长度限制是65535（216-1）字节。

这个16位字段与源IP地址一起唯一地定义这个数据报。

IP协议使用一个计数器来标志数据报，当IP协议发送数据时，就把这个计数器的当前值复制到标识字

段中，并加1。

当数据报被分片时，标识字段的值就复制到所有的分片中。

换言之，所有的分片具有相同的标识号，即原始数据报的标识号。

在终点重装数据报时，终点就知道所有具有相同标识号的分片必须组装成一个数据报。

3位字段。

第一位保留。

第二位为不分片位，为1表示不对数据报进行分片；为0表示在需要时对数据报进行分片。

第三位为分片位，为1表示这个数据报不是最后的分片，在其后还有分片；为0表示这个数据报是最后的分片。

分片偏移（FragmentOffset）这个13位字段表示该分片在整个数据报中的相对位置，以8字节为

度量单位。

用来控制数据报所通过的最大路由跳数，这个生存时间的单位不是秒，而是

（hop）。

服务类型（DS）总长度

标识（Identification）

标志（Flags）

生存时间（

TTL）

。

要找出上层

协议检验和

源地址

目的地址

这个8位字段定义使用IP层服务的高层协议。

女口：

TCRUDP、ICMP和IGMP等。

IP分组中的检验和只在首部而不在数据部分进行。

因为，所有将数据封装在IP

数据报中的高层协议，都有覆盖整个分组的检验和；其次，，每经过一个路由器，IP数据报的首部就要改变一次，但数据部分不变。

因此检验和只对发生变化的部分进行检验。

这个32位字段定义源点的IP地址。

在IP数据报从源主机发送到目的主机的时间内，这个字段必须保持不变。

这个32位字段定义了终点的IP地址。

在IP数据报从源主机发送到目的主机的时间内，这个字段必须保持不变。

ICMP报文格式类型

代码

检验和（icmpchksum）

8位字段，定义ICMP报文的类型。

ICMP报文的类型有：

终点不可达、源点抑制、超时、参数问题、改变路由、回送请求或回答、时间戳请求或回答、地址掩码请求或回答、路由器询问和通告。

8位字段，指明了发送这个特定报文类型的原因。

16位字段。

在ICMP中，检验和的计算覆盖了整个报文（首部和数据）。

ICMP回送请求或回答报文头格式如下图5所示:

图2-5

图2-6

ICMP超时报文头格式如下图7所示:

IGMP报文格式

图2-7

图2-8

类型

8位字段，定义了查询、成员关系报告、退出报告三种报文类型，类型值分别为0x11、

0x16、0x17。

最大响应时间

8位字段，定义了查询必须在多长时间内回答。

它的值以十分之一秒位单位。

在查询

报文中这个值不是零，但在其他两种报文中则置为零。

检验和

组地址

16位字段，检验和在8字节的报文上计算。

在一般查询报文中这个字段的值为0，在特殊查询报文、成员关系报告报文以及退出

报告报文中定义groupid（组多播地址）。

UDP用户数据报首部格式

图2-9

UDP数据报格式如上图9所示。

用户数据报有8个字节的固定首部。

源端口号16位字段，定义源主机上运行的进程所使用的端口号。

目的端口号16位字段，定义目的主机上运行的进程使用的端口号。

长度16位字段，定义了用户数据报的总长度，首部加上数据。

检验和16位字段，UDP的检验和包括三部分：

伪首部、UDP首部以及从应用层来的数据。

位首部是IP分组的首部的一部分，包括：

源IP地址、目的IP地址、8位协议和16

位UDP总长度。

位首部可以保证在IP首部受到损伤时，用户数据报可以交付到正确的主机。

协议字段的加入，可以确保这个分组是属于UDP而不是属于TCP

TCP报文段格式

表2-1控制字段各标志说明（从高位到低位）

图2-10

如上图10所示，TCP报文段的结构包括:

源端口地址目的端口地址序号

这个16位字段定义发送报文段的应用程序端口号。

这个16位字段定义了接收该报文段的应用程序端口号。

这个32位字段定义了指派给本报文段第一个数据字节的一个号。

为了保证连通性，要发送的每一个字节都要编号。

序号告诉终点，这个序列中的哪一个字节是报文段中的第一个字节。

在连接建立时，每一方使用随机数产生器产生初始序号（ISN）。

确认号

32位字段，定义了报文段接收端期望从对方