TCP/IP学习笔记（一）
作者：肖进
一、TCP/IP结构：
TCP/IP是一个四层协议，结构如下：
1、应用层：各种应用程序和协议，如Http、FTP等。
2、传输层：TCP和UDP
TCP提供一种可靠的运输层服务，但UDP是不可靠的，不能保证数据报到正确到达目的地。
3、网络层：IP、IGMP、ICMP
IP提供的是一种不可靠的服务，也就是尽可能块地把分组从源节点送到目的节点，但并
不提供任何可靠性保证。ICMP是IP的附属协议，主要用来交换错误报文，IGMP是组管理协议，用来将UDP数据报多播到多个主机。
4、链路层：设备驱动程序和网卡等
二、IP地址和子网掩码
要学习TCP/IP协议，首先要提到的是IP地址。每台主机的IP地址是一个32位的二进制数。每个IP地址被分割位两部分：前缀和后缀。前缀用来确定计算机从属的物理网络，后缀用来确定网络上单独的计算机。互联网上每一个物理网络都有一个唯一的值作为网络号，该网络号必须全球一致。
1、IP地址分类：
IP地址分位五类：A类、B类、C类、D类、E类，其中A类、B类和C类为基本类，D类用于多播，E类属于保留类，现在不用。它们的格式如下（其中*代表网络号）：
A类：0******* XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
B类：10****** ******** XXXXXXXX XXXXXXXX
C类：110***** ******** ******** XXXXXXXX
D类：1110**** XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
E类：1111**** XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
这样，A类地址的范围为：0.0.0.0-127.255.255.255
B类地址的范围为：128.0.0.0-191.255.255.255
C类地址的范围为：192.0.0.0-223.255.255.255
D类地址的范围为：224.0.0.0-239.255.255.255
E类地址的范围为：240.0.0.0-247.255.255.266
◆几个特殊IP地址
网络地址：IP地址中主机地址全为0的地址，如128.211.0.0。
广播地址：IP地址中主机地址全为1的地址，如128.211.255.255。
环回地址：127.0.0.1，主要用于测试。
2、子网掩码：
现在的主机都要求支持子网掩码，不再把IP地址看成为由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。例如一个B类地址(140.252)，在剩下的16位中，8位用于子网号，8位用于主机号，这样就允许254个子网，每个子网就可以有254台主机。为了确定多少位用于子网号，多少位用于主机号，这就要用到子网掩码了。其中值为1的位留给网络号和子网号，为0的位留给主机号。
三、数据包的封装和分用
1、封装：
应用程序→TCP/UDP→IP→以太网
2、分用：
以太网←IP←TCP/UDP←应用程序
以太网
首部
(14)
IP首部
(20)
TCP首
部(20)
应用数据
以太网
尾部(4)
四、IP首部：
IP协议是TCP/IP协议族中最核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP传输的两个特点：不可靠和无连接。IP协议并不保证数据报能成功地到达目的地，也不维护后续数据报的状态信息。必须由上层协议处理。
4位
版本
4位首
部长度
8位服务类型
16位总长度（字节数）
16位标识
3位
标志
13位片偏移
8位TTL
8位协议
16位首部检验和
32位源IP地址
32位目的IP地址
IP首部定义：
typedef struct ip_hdr
{
unsigned char ip_verlen; // 4-bit 版本号
// 4-bit 首部长度 (in 32-bit words)
unsigned char ip_tos; // IP 服务类型
unsigned short ip_totallength; // 总长度(字节数)
//第一个32位
unsigned short ip_id; // 标识
unsigned short ip_offset; //3位标志，13位分片偏移，
#define IP_DF 0x4000 //0x4000 don''t fragment flag
#define IP_MF 0x2000 //0x2000 more fragment flag
#define IP_OFFMASK 0x1fff //0x1fff mask for fragmenting bits
//第二个32位
unsigned char ip_ttl; // 生存时间
unsigned char ip_protocol; // 上层协议
unsigned short ip_checksum; // 首部检验和
//第三个32位
unsigned int ip_srcaddr; // 源IP地址
//第四个32位
unsigned int ip_destaddr; // 目的IP地址
//第五个32位
} ip,IPV4_HDR, *PIPV4_HDR, FAR * LPIPV4_HDR;
说明：ip_verlen前4位目前为4，表示为IPv4，后4位为5，表示首部长度为5X4=20个字节。
ip_tos为服务类型(type of service)，aaabbbbc，aaa为优先权子字段，现在已被忽略，bbbb为TOS子字段，代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用，c未使用必须为0。如果bbbb均为0，则表示为一般服务。目前大多数TCP/IP实现都不支持TOS特性。
ip_totallength为IP数据报的总长度，以字节为单位，因此理论最大值为65535，但实际是不可能的。
ip_id为唯一标识主机发送的每一个数据报，通常每发一份它的值就会加1。
ip_off前3位标志abc,a为保留，必须为0，b为不分片标志,c为更多分片标志。
ip_off后13位为分片位置，以8字节为单位计算。因此，除最后一个分片外，其他每个分片都希望是一个8字节倍数的数据，从而使后面的分片从8字节边界开始。
ip_ttl为IP报的生存周期，每经过一个路由器就减1，如果该字段为0，则该数据报被丢弃。
ip_protocol：1=ICMP,2=IGMP,3=TCP,17=UDP
ip_checksum为数据报的首部检验和。计算方法如下：
USHORT checksum(ip *ip, int size)
{
unsigned long cksum=0;
while (size > 1)
{
cksum += * ((USHORT*)ip )++;
size -= sizeof(USHORT);
}
if (size)
{
cksum +=(USHORT) *(UCHAR*)ip;
}
cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
cksum += (cksum >>16);
return (USHORT)(~cksum);
}
ICMP、IGMP、TCP和UDP协议也采用相同的检验和算法。
五、 端口号：TCP/UDP都使用一个16bit地端口号来表示不同地程序。
1、 知名端口：一般介于1～255之间，例如：FTP的TCP端口号是21。
2、 临时端口，由于客户端对端口号一般并不关心，只需保证唯一就可以了，所以系统一般分配临时端口号。
六、 链路层：(以以太网为例，地址为48bit)
1、 链路层的功能：
◆ 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模块发送RARP请求和接收RARP应答
2、 以太网的封装，以太网IP数据报的封装在RFC 894中定义的：
目的地址
(6)
源地址
(6)
类型
(2)
数据(46-1500)，包括IP、ARP、RARP
CRC
(4)
对于ARP和RARP请求/应答数据报大小只有28字节，为了达到46字节的最小长度，必须在后面添加18字节的填充字节。
七、环回地址：
一般把127.0.0.1分配给这个接口，并命名为localhost，一个发给环回接口的IP数据报不能在任何网络上出现。
1、传给环回地址的任何数据均作为IP输入。
2、传给广播地址和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。
3、任何传给该主机IP地址的数据均送到环回接口。
八、最大传输单元MTU：
以太网对数据帧的长度都有限制，其最大值为1500。链路层的这个特性叫做最大传输单元MTU。如果一个IP数据报比MTU大，那IP层就必须进行分片，把数据报分为若干片。如果两台主机间的通信要通过多个网络时，那么每个网络的链路层可能有不同的MTU。重要的不是两台主机所在网络的MTU，重要的是两台主机路径中的最小MTU，它被成为路径MTU。
九、IP路由选择
如果目的主机与源主机直接相连或都在一个共享网络上，那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则主机就会把数据报发送到一个默认的路由器上，由该路由器来转发该数据报。IP层在内存中有一个路由表，当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，IP首先检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果是这样，数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理，否则如果IP层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发，否则丢弃数据报。
我们来看看路由表是什么：
C:\WINNT\system32route PRINT
==========================================================================
Interface List
0x1 ........................... MS TCP Loopback interface
0x1000003 ...00 08 02 ca 2d 11 ...... Intel 8255x-based Integrated Fast Ethernet
==========================================================================
Active Routes:
Network Destination Netmask
Gateway Interface Metric
目的地 掩码
网关 主机
0.0.0.0 0.0.0.0
192.1.8.26 192.1.8.84 1
127.0.0.0 255.0.0.0
127.0.0.1 127.0.0.1
1
192.1.8.0 255.255.255.0
192.1.8.84 192.1.8.84 1
192.1.8.84 255.255.255.255 127.0.0.1
127.0.0.1 1
192.1.8.255 255.255.255.255 192.1.8.84
192.1.8.84 1
224.0.0.0 224.0.0.0
192.1.8.84 192.1.8.84 1
255.255.255.255 255.255.255.255 192.1.8.84
192.1.8.84 1
Default Gateway: 192.1.8.26
==================================================================
IP路由的主要功能：
1、搜索路由表，寻找与目的IP地址完全匹配的表目，如果找到，则将数据报发给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。
2、搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目，如果找到，则将数据报发给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。
作者：肖进
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