TCP/IP 学习笔记 | IP：网际协议

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切记：少就是多，慢就是快。

IP (Internet Protocol) 是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议。所有的 TCP、UDP、ICMP 及 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输的。

特性

  1. 不可靠 (unreliable)
    IP 大哥牛皮哄哄地说：“我只管寄包裹，传得到传不到我不管，但是如果没传成功，我儿子 ICMP 会通知你。想要可靠，你还是找我另一个儿子 TCP 吧。”

  2. 无连接 (connectionless)
    IP 大哥喝了口茶，又说：“每个包裹我都会分开来寄，你别管我每个包裹走哪条路线，我也不保证哪个包裹先送到。”

抓包

首先，我们先抓个包看看，一个完整的数据包是怎样的：

''' 这 61 Bytes 的数据就是完整的数据包结构了
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0000   02 00 00 00 45 00 00 39 00 00 40 00 40 06 00 00   ....E..9..@.@...
0010   7f 00 00 01 7f 00 00 01 c1 69 0b b8 00 53 40 d6   .........i...S@.
0020   48 1d d8 7d 80 18 18 eb fe 2d 00 00 01 01 08 0a   H..}.....-......
0030   19 a1 d3 45 19 a1 d3 45 48 65 6c 6c 6f            ...E...EHello

我们像剥洋葱一样，将它一层一层剥开来分析。

''' 瞅瞅，最前面这一层 4 Bytes 的数据是 Mac 帧头，是链路层的数据结构
它说明了我们数据包走的是 Loopback 网卡
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0000   02 00 00 00                                       ....

''' 这一层 20 Bytes 的数据就是 IP 头，是网络层的数据结构
它描述了这个包从哪来到哪去，家里有几口人，人均几亩地（咳咳）
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0000   45 00 00 39 00 00 40 00 40 06 00 00 7f 00 00 01   E..9..@.@.......
0010   7f 00 00 01                                       ....

''' 这一层是 TCP 头，是传输层的数据结构
-------------------------------------------------------------------------
0000   c1 69 0b b8 00 53 40 d6 48 1d d8 7d 80 18 18 eb   .i...S@.H..}....
0010   fe 2d 00 00 01 01 08 0a 19 a1 d3 45 19 a1 d3 45   .-.........E...E

''' 最后包裹拆完就是传输的核心数据啦，下面是我们经过 utf8 编码的字符串数据 Hello
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0000   48 65 6c 6c 6f                                    Hello

数据结构

下面有请主角 IP 协议，我们看看 IP 头的定义是怎样的：

从图中可以看出，IP头一般是 20 Bytes，包的总大小不超过 64 KB，下面介绍一下每部分的含义：

  1. Version4bit
    协议版本号，例如 IPv4 的版本号为 4

  2. Header Length4bit
    首部长度，32bit 的数量，一般情况下值为 0101b，即 5x4=20B，最大 1111b，即 60B

  3. TOS | DSCP8bit (Type of Service)
    服务类型，前 3bit 优先级字段（现已忽略），后 4bit 分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用，且只能置其中 1bit。如果所有 4bit 均为 0，那么就意味着是一般服务。最后 1bit 为保留字段。如下图所示：

    后来在 RFC2474 中又重新对 TOS 进行了划分，即 Differentiated Services Field Codepoints，简称 DSCP。

  4. Total Length16bit
    IP 包总长，单位 Bytes，长度 16bit，因此 IP 包的最大长度为 2^16-1 = 65535B，上面抓包的例子中 IP 包总长为 57B。

  5. ID16bit (Identification)
    标识字段，相当于 IP 数据报的 ID，通常每发送一份报文它的值就会加 1。如果因为数据大于链路层 MTU 导致IP数据报分段 (Fragment) 的话，则每个分段的 IP 数据报的标识都是一样的。
    从我本地抓包结果看，从本机发往外部 IP 的 TCP 包，这个字段恒为 0，有大神可以解释么？

  6. Flags3bit
    该字段第一位不使用。第二位是 DF (Don't Fragment) 位，DF 位设为 1 时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位是 MF (More Fragments) 位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将 MF 位设为 1。

  7. Offsets13bit
    位偏移，用于分段后标志该 IP 数据报相对原来数据报的偏移量。以 8 个字节为偏移单位，也就是说，每个分片的长度一定是 8B (64bit) 的整数倍。

  8. TTL8bit (Time to Live)
    生存时间，标识了可以经过的最多路由器数，TTL 的初始值由源主机设置（通常为 32 或 64），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去 1。当该字段的值为 0 时，数据报就被丢弃，并发送 ICMP 报文通知源主机。

  9. Protocol8bit
    协议，常用的有：ICMP(1)、TCP(6)、UDP(17)，详细清单见 维基百科

  10. Header Checksum8bit
    首部校验，根据 IP 首部计算的检验和码，它不对首部后面的数据进行计算。如果校验失败则丢弃该数据报，但不会跟 TTL 为 0 时一样发送 ICMP 报文，而是交给上层协议发现数据丢失进行重传。

  11. Source & Destination Address2 x 32bit
    源地址和目标地址，例如 7f 00 00 01 表示 127.0.0.1。要注意除非使用NAT，否则整个传输的过程中，这两个地址不会改变。

  12. Optionsn x 32bit
    可选项，一般为空，是数据报中的一个可变长的可选信息，主要用于测试。目前，这些任选项定义如下：
    • 安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见RFC 1108[Kent 1991]）
    • 记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址，见7.3节）
    • 时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7.4节）
    • 宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的IP地址，见8.5节）
    • 严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。

附录

  1. 电子书下载：《TCP/IP详解 卷一：协议》

  2. OSI 七层模型图解：