文章目录

  • 传输层
  • 传输层功能介绍
  • 可靠传输和尽最大努力传输
  • tcp
  • 端口说明
  • TCP/ip协议头部详解
  • TCP的三次握手
  • UDP详细介绍
  • UDP的概述（User Datagram Protocol，用户数据报协议）
  • UDP的首部格式
  • UDP校验
  • ICMP


传输层

传输层功能介绍

  • 传输层：
    标明上层所使用什么样的应用
    端口号（2字节）
    SYN（1bit）
    ACK（1bit）
  • 传输层的功能：

    • udp接收vlan的数据_TCP

  • session multiplexing——会话多路复用
    Identification of different applications——识别不同申请
    Segmentation*——分割
    Flow control*——流量控制
    Connection-oriented*——面向连接
    Reliability*——可靠性
  • 会话多路复用 说明
    为什么一个IP地址可以做很多事情
    是因为有：五元组
    源IP地址，目的IP地址，源端口号，目的端口号，协议号（protocol）
    感兴趣的可以看这本书：强叔侃墙
    注：五元组是唯一的，没有两个相同的五元组信息。
    用telnet来理解传输层就是，如果我们通过host1连接host2，可以多次连接，但每次返回的端口号肯定是不一样的（可以抓包看返回的端口验证）
  • 可靠性 说明
    有连接的协议（TCP）
    可靠性的基础
    ①数据的传输是有序的
    ②数据的传输是有确认机制的
    ③有数据重传机制
    ④可靠性的前提是建立一条连接

可靠传输和尽最大努力传输

udp接收vlan的数据_tcp_02

  • tcp，是有序连接的，就是说中断的时候会等待，然后按顺序传输。
  • udp，是无序的，中断的时候不会等待，会接着往下走。
  • 说明一下使用场景
    tcp：电子邮件，下载等等，只能用tcp，比如下载一个安装包，如果中断一下不等待按顺序下载的话就会导致该安装包无法使用。
    udp：如果视频语音要等等待按顺序的话，比如视频看到5分钟卡了一下，看到第10分钟恢复了，那么10分钟这就会出现5分钟卡顿时候的内容，这样10分钟该有的内容就会无法看到，所以视频音频都使用udp协议。

tcp

端口说明

所谓的端到端的传输就是说 端口到端口的传输。

端口区间：0-65535 其中：

0-1023知名端口号（一直不变的端口，可以背下来的那种）

1024之上的 非知名端口号

注：下图中，tcp/udp空白的都为tcp

udp接收vlan的数据_tcp_03

TCP/ip协议头部详解

udp接收vlan的数据_网络_04

抽象出图文是这种结构，但是在底层中数据到底是怎么传输的 是一个更为复杂的过程。

IP数据包头部格式：

udp接收vlan的数据_tcp_05

TCP协议是传输协议，为应用层提供数据服务，和UDP不同，TCP提供可靠的面向连接服务，关于TCP头部数据格式的说明

udp接收vlan的数据_网络_06

  • 16位端口号：告知主机该报文段是来自哪里（源端口Source Port）以及传给哪个上层协议或应用程序（目的端口Destination Port）的。进行TCP通信时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号，而服务器则使用知名服务端口号（比如DNS协议对应端口53，HTTP协议对应80，这些端口号可在/etc/services文件中找到）。
  • 32位序号：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机A和主机B进行TCP通信，A发送给B的第一个TCP报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值ISN（Initial Sequence Number，初始序号值）。那么在该传输方向上（从A到B），后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025~2048字节，那么该报文段的序号值就是ISN+1025.另外一个传输方向（从B到A）的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。
  • 32位确认号（acknowledgement number）：用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。假设主机A和主机B进行TCP通信，那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号，而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之，B发送出的TCP报文段也同时携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认号。
  • 4位头部长度（header length）：标识该TCP头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大能标识15，所以TCP头部最长是60字节。
  • 6位标志位包含如下几项：
    URG标志，表示紧急指针（urgent pointer）是否有效。
    ACK标志，表示确认号是否有效。我们称携带ACK标识的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接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收
    到的数据读走，它们就会一直停留在TCP接收缓冲区中）。
    RST标志，表示要求对方重新建立连接。我们称携带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。我们称携带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。我们称携带FIN标志的TCP报文段为结束报文段。
  • 16位窗口大小（window size）：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（Receiver Window，RWND）。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（TCP check sum）：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验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（urgent pointer）：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字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。
  • TCP头部选项：TCP头部的最后一个选项字段（options）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头部选项结构如下图所示

选项的第一个字段kind说明选项的类型。有的TCP选项没有后面两个字段，仅包含1字节的kind字段。第二个字段length（如果有的的话）指定该选项的总长度，该长度包括kind字段和length字段占据的2字节。第三个字段info（如果有的话）是选项的具体信息。常见的TCP选项有7中，如下图

udp接收vlan的数据_udp接收vlan的数据_07

kind=0是选项表结束选项。

kind=1是空操作（nop）选项，没有特殊含义，一般用于将TCP选项的总长度填充为4字节的整数倍。

kind=2是最大报文段长度选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商最大报文段长度（Max Segement Size，MSS）。TCP模块通常将MSS设置为（MTU-40）字节（减掉的这40字节包括20字节的TCP头部和20字节的IP头部）。这样携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU（假设TCP头部和IP头部都不包含选项字段，并且这也是一般情况），从而避免本机发生IP分片。对以太网而言，MSS值是1460（1500-40）字节。

kind=3是窗口扩大因子选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商接收通告窗口的扩大因子。在TCP的头部中，接收通告窗口大小时用16位表示的，故最大为65535字节，但实际上TCP模块允许的接收通告窗口大小远不止这个数（为了提高TCP通信的吞吐量）。窗口扩大因子解决了这个问题。假设TCP头部中的接收通告窗口大小是N乘2的M次方，或者说N左移M位。注意，M的取值范围是0~14。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling内核变量来启用或关闭窗口扩大因子选项。

kind=5是SACK实际工作的选项。该选项的参数告诉发送方本端已经收到并缓存的不连续的数据块，从而让发送端可以据此检查并重发丢失的数据块。每个块边沿（edge of block）参数包含一个4字节的序号。其中块左边沿表示不连续块的第一个数据的序号，而块右边沿则表示不连续块的最后一个数据的序号的下一个序号。这样一对参数（块左边沿和块右边沿）之间的数据是没有收到的。因为一个块信息占用8字节，所以TCP头部选项中实际上最多可以包含4个这样的不连续数据块（考虑选项类型和长度占用的2字节）。

kind=8是时间戳选项。该选项提供了较为准确的计算通信双方之间的回路时间（Round Trip Time，RTT）的方法，从而为TCP流量控制提供重要信息。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps内核变量来启用或关闭时间戳选项。

以下是抓到的一个TCP报文段：

udp接收vlan的数据_TCP_08

从图中可以看出源端口号58991对应e66f，目的端口号443，对应01bb，Flags为SYN，表示请求一个连接，因此它是一个同步报文段。这里seq表示的是相对序号，因为该同步报文段是从180.85.25.164到74.125.204.100的第一个TCP报文段，所以该序号值也就是此次通信过程中该传输方向的ISN值，则相对序号即为0。并且，因为这是通信过程中第一个TCP报文段，所以它没有针对对方发送来的TCP报文段的确认值（尚未收到任何对方发来的TCP报文段）。
window size是接收通告窗口大小，因为这是一个同步报文段，所以win值反映的是实际的接收通告窗口大小。

TCP的三次握手

  • tcp的三次握手和四次挥手
    TCP的三次握手就像两个同学对话，A同学问B同学，你能听到我说话吗？A向B发送一个能不能听到说话的一个连接请求，B同学收到A同学说的话，这时候就是第一次握手成功，证明A-B这条路是没问题的，然后B同学会回答A同学，我可以听到，你能听到我说话吗?，这时候相当于B发送一个确认以及连接请求给A，这是第二次握手，A收到以后再次告诉B，我也可以听到你说话，这时候是A向B再次发送一个确认，这就是第三次握手，这时候证明B到A这条路也没问题，两条路都是通的，这就是对三次握手的白话理解。

换一种带文字的方式如下图：

udp接收vlan的数据_TCP_09

  • TCP四次挥手，其实四次是断开，更好理解一点，A告诉B，我传给你的东西传完了，我要跟你断开了，B收到以后告诉A，那你断吧，然后B再告诉A，我给你的东西也传完了，我也断开了，A收到以后再告诉B，那你断吧

    • udp接收vlan的数据_tcp_10

  • 下面用两台pc建立连接为例说明：
    主机1：IP地址为192.168.1.1
    主机2: IP地址为216.3.226.21
    下面是TCP/IP传输的数据，下面这些为十六进制TCP/IP协议的数据，不是完整的网络通信数据
  • 第一次：向web站点发送连接请求
    192.168.1.246 -> 123.56.106.180
    IP头部：45 00 00 30 52 52 40 00 80 06 2c 23 c0 a8 01 01 d8 03 e2 15
    转化成二进制：1000100111011111111111011111111111100101111111101010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
    TCP头部：0d 28 00 15 50 5f a9 06 00 00 00 00 70 02 40 00 c0 29 00 00
    转化成二进制：1100111100100111111011111111111100010100111101010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
    来看看IP头部的数据都表示什么：
    第一个字节 45：其中’4’代表IP的版本协议，说明是IPV4，‘5’标识IP头部长度，是一个4bit的字段，最大值就是1111了，IP头部最大长度为60字节，最大值12，而这里的’5’，说明有20个字节的长度，这是标准的IP头部长度。
    接下来是 00：是服务类型，由8个bit构成，每2个bit分别标识：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、以及最小费用。这四个1bit同时只能有1个为1。本例中都为0表示一般服务。
    接下来 00 30：是IP数据报文的总长，包含头部以及数据，这里表示48字节，这48字节表示由20字节的IP头部，和28字节的TCP头部构成。
    接下来 52 52：转换为十进制就是21074。这个是让目的主机来判断新来的分段属于哪个分组。　
    接下来 转换为二进制就’0100 0000’，其中第一位是IP协议目前没有用上的，为0。接着的是两个标志DF和MF。DF为1表示不要分段，MF为1表示还有进一步的分段（本例为0）。然后的“0 0000”是分段便移
    接下来 80：这个字节就是TTL，表示一个IP数据流的生命周期。转化成10进制为128，说明该数据包最多经过128次路由将被丢弃，每路由一次，TTL的值减1。
    接下来 ‘06’，这个字节表示传输层的协议类型。在RFC790中有定义，6表示传输层是TCP协议。
    接下来 ‘2c 23’这个16bit是头校验和。
    接下来“c0 a8 01 01”，这个就是源地址（Source Address）了，也就是主机1的IP地址。转换为十进制的IP地址就是：192.168.1.1，同样，继续下来的32位“d8 03 e2 15”是目标地址，216.3.226.21
    至此IP数据头部大概解析完成，接下来解析TCP头部
    TCP头部：0d 28 00 15 50 5f a9 06 00 00 00 00 70 02 40 00 c0 29 00 00
    两字节段’0d 2’，表示本地端口号，转换为十进制就是3368。第二个两字节段’00 15’表示目标端口，因为我是连接FTP站点，所以，这个就是21啦，十六进制当然就是’00 15’。
    接下来的四个字节“50 5f a9 06”是顺序号（Sequence Number），简写为SEQ，SEQ=1348446470下面的四个字节“00 00 00 00”是确认号（Acknowledgment Number），简写为ACKNUM。
    继续两个字节，‘70 02’，转换为二进制吧，“0111 0000 0000 0010”。这两个字节,总共16bit，有好多东西呢。第一个4bit’0111’，是TCP头长，十进制为7，表示28个字节（刚才说了，我省略了8字节的option数据，所以你只看见了20字节）。接着的6bit现在TCP协议没有用上，都为0。最后的6bit“00 0010”是六个重要的标志。这是两个计算机数据交流的信息标志。接收和发送断根据这些标志来确定信息流的种类(三次握手和四次握手机制)。下面是一些介绍：
    URG：（Urgent Pointer field significant）紧急指针。用到的时候值为1，用来处理避免TCP数据流中断　
    ACK：（Acknowledgment fieldsignificant）置1时表示确认号（AcknowledgmentNumber）为合法，为0的时候表示数据段不包含确认信息，确认号被忽略。
    PSH：（Push Function），PUSH标志的数据，置1时请求的数据段在接收方得到后就可直接送到应用程序，而不必等到缓冲区满时才传送。　
    RST：（Reset the connection）用于复位因某种原因引起出现的错误连接，也用来拒绝非法数据和请求。如果接收到RST位时候，通常发生了某些错误。
    SYN：（Synchronize sequence numbers）用来建立连接，在连接请求中，SYN=1，ACK=0，连接响应时，SYN=1，ACK=1。即，SYN和ACK来区分Connection Request和Connection Accepted。
    FIN：（No more data from sender）用来释放连接，表明发送方已经没有数据发送了。
    这6个标志位，自己对号入座吧。本例中SYN=1，ACK=0，当然就是表示连接请求了。我们可以注意下面两个过程的这两位的变换。
    后面的“40 00 c0 29 00 00”不讲了，呵呵，偷懒了。后面两次通讯的数据，自己分开看吧。我们看看连接的过程，一些重要地方的变化。
  • 第二次，web站点返回一个可以连接的信号。　
    216.3.226.21->192.168.1.1　
    IP头部： 45 00 00 2c c6 be 40 00 6a 06 cd ba d8 03 e2 15 c0 a8 01 01　
    TCP头部：00 15 0d 28 4b 4f 45 c1 50 5f a9 07 60 12 20 58 64 07 00 00
  • 第三次，我确认连接。TCP连接建立起来。　
    192.168.1.1->216.3.226.21　
    IP头部： 45 00 00 28 52 53 40 00 80 06 2c 2a c0 a8 01 01 d8 03 e2 15　
    TCP头部：0d 28 00 15 50 5f a9 07 4b 4f 45 c2 50 10 40 b0 5b 1c 00 00
    第一步，我发出连接请求，TCP数据为：SEQ=50 5f a9 06，ACKNUM=00 00 00 00，SYN=1，ACK=0。　
    第二步，对方确认可以连接，TCP数据为：SEQ=4b 4f 45 c1，ACKNUM=50 5f a9 07，SYN=1，ACK=1。　
    第三步，我确认建立连接。SEQ=50 5f a9 07， ACKNUM=4b 4f45c2，SYN=0，ACK=1。　
    可以看出什么变化么？正式建立连接了。在之后的数据传输中，携带ACK进行安全传输
    接收从216.3.226.21->192.168.1.1的下一个数据包中：SEQ=4b 4f 45 c2，ACKNUM=50 5f a9 07,SYN=0,ACK=1

至此基本的分析完成，其中有很多细节需要深入理解，这里不再一一赘述。

UDP详细介绍

UDP的概述（User Datagram Protocol，用户数据报协议）

  • UDP是传输层的协议，功能即为在IP的数据报服务之上增加了最基本的服务：复用和分用以及差错检测。
    UDP提供不可靠服务，具有TCP所没有的优势：
  • UDP无连接，时间上不存在建立连接需要的时延。空间上，TCP需要在端系统中维护连接状态，需要一定的开销。此连接装入包括接收和发送缓存，拥塞控制参数和序号与确认号的参数。UCP不维护连接状态，也不跟踪这些参数，开销小。空间和时间上都具有优势。
    举个例子：
    DNS如果运行在TCP之上而不是UDP，那么DNS的速度将会慢很多。
    HTTP使用TCP而不是UDP，是因为对于基于文本数据的Web网页来说，可靠性很重要。
    同一种专用应用服务器在支持UDP时，一定能支持更多的活动客户机。
  • 分组首部开销小**，TCP首部20字节，UDP首部8字节。
  • UDP没有拥塞控制，应用层能够更好的控制要发送的数据和发送时间，网络中的拥塞控制也不会影响主机的发送速率。某些实时应用要求以稳定的速度发送，能容 忍一些数据的丢失，但是不能允许有较大的时延（比如实时视频，直播等）
  • UDP提供尽最大努力的交付，不保证可靠交付。所有维护传输可靠性的工作需要用户在应用层来完成。没有TCP的确认机制、重传机制。如果因为网络原因没有传送到对端，UDP也不会给应用层返回错误信息
  • UDP是面向报文的，对应用层交下来的报文，添加首部后直接乡下交付为IP层，既不合并，也不拆分，保留这些报文的边界。对IP层交上来UDP用户数据报，在去除首部后就原封不动地交付给上层应用进程，报文不可分割，是UDP数据报处理的最小单位。
    正是因为这样，UDP显得不够灵活，不能控制读写数据的次数和数量。比如我们要发送100个字节的报文，我们调用一次sendto函数就会发送100字节，对端也需要用recvfrom函数一次性接收100字节，不能使用循环每次获取10个字节，获取十次这样的做法。
  • UDP常用一次性传输比较少量数据的网络应用，如DNS,SNMP等，因为对于这些应用，若是采用TCP，为连接的创建，维护和拆除带来不小的开销。UDP也常用于多媒体应用（如IP电话，实时视频会议，流媒体等）数据的可靠传输对他们而言并不重要，TCP的拥塞控制会使他们有较大的延迟，也是不可容忍的。

UDP的首部格式

UDP数据报分为首部和用户数据部分，整个UDP数据报作为IP数据报的数据部分封装在IP数据报中，UDP数据报文结构如图所示：

udp接收vlan的数据_TCP_11

中文如下:

udp接收vlan的数据_udp接收vlan的数据_12

UDP首部有8个字节，由4个字段构成，每个字段都是两个字节，

  • 1.源端口： 源端口号，需要对方回信时选用，不需要时全部置0.
  • 2.目的端口：目的端口号，在终点交付报文的时候需要用到。
  • 3.长度：UDP的数据报的长度（包括首部和数据）其最小值为8（只有首部）
  • 4.校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错，有错则丢弃。
  • 该字段是可选的，当源主机不想计算校验和，则直接令该字段全为0.
    当传输层从IP层收到UDP数据报时，就根据首部中的目的端口，把UDP数据报通过相应的端口，上交给应用进程。
    如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确（不存在对应端口号的应用进程0,），就丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给对方。

UDP校验

在计算校验和的时候，需要在UDP数据报之前增加12字节的伪首部，伪首部并不是UDP真正的首部。只是在计算校验和，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。校验和就是按照这个临时的UDP数据报计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算校验和。这样的校验和，既检查了UDP数据报，又对IP数据报的源IP地址和目的IP地址进行了检验。

udp接收vlan的数据_TCP_13

UDP校验和的计算方法和IP数据报首部校验和的计算方法相似，都使用二进制反码运算求和再取反，但不同的是：IP数据报的校验和之检验IP数据报和首部，但UDP的校验和是把首部和数据部分一起校验。

发送方，首先是把全零放入校验和字段并且添加伪首部，然后把UDP数据报看成是由许多16位的子串连接起来，若UDP数据报的数据部分不是偶数个字节，则要在数据部分末尾增加一个全零字节（此字节不发送），接下来就按照二进制反码计算出这些16位字的和。将此和的二进制反码写入校验和字段。在接收方，把收到得UDP数据报加上伪首部（如果不为偶数个字节，还需要补上全零字节）后，按二进制反码计算出这些16位字的和。当无差错时其结果全为1,。否则就表明有差错出现，接收方应该丢弃这个UDP数据报。

udp接收vlan的数据_tcp_14

  • 注意：
    1.校验时，若UDP数据报部分的长度不是偶数个字节，则需要填入一个全0字节，但是次字节和伪首部一样，是不发送的。
    2.如果UDP校验和校验出UDP数据报是错误的，可以丢弃，也可以交付上层，但是要附上错误报告，告诉上层这是错误的数据报。
    3.通过伪首部，不仅可以检查源端口号，目的端口号和UDP用户数据报的数据部分，还可以检查IP数据报的源IP地址和目的地址。
    这种差错检验的检错能力不强，但是简单，速度快

ICMP

ICMP在这篇博客：
传输协议之ICMP详解