网络知识学习（笔记二）

        ios模型规定的网络模型一共有7层，但是实际使用过程中，4层的TCP/IP模型是经常使用的，网络知识学习笔记里面也是基于4层TCP/IP模型进行分析的，前面已经讲了：（1）物理层，（2）数据链路层。本次笔记将记录网络层、运输层的UDP，运输层的TCP将放在下次笔记中记录。

一、网络层

        网络层主要是：IP、ICMP、ARP协议等。

        （1）如下图所示，网络层的报文主要有两部分组成：首部、数据。

        （2）首部：网络层添加的报文。

        （3）数据：上一层“运输层”传过来的数据报文。

1.1、网络层报文

（1）网络层报文一些长度的规定

        1、网络层数据包报文中，首部得固定长度是20个字节，首部得可变长度部分尾40个字节，总长度为20~60个字节。

        2、网络层数据包报文得总长度为65535个字节，是指：首部长度+数据长度。

        3、数据链路层中报文要求网络层传过来的数据长度不能超过1500个字节。如果网络层传过来的数据超过了1500个字节，将对网络层中的报文进行分片，每片都是含有网络层的报文首部的。

（2）网络层数据报文首部分析

        网络层报文的格式如下所示，下面将针对报文中的每个部分的内容进行解释。下图所示的占的多少位，并不是字节，一个字节有8位。

   

1.版本（Version）：占4位

      0100：IPV4

      0110：IPV6

2.首部长度（Header Length）：

        占4位，二进制乘以4才是最终长度

        最小值：0101，对应的十进制值是5，所以最终首部长度最小是5*4=20字节

        最大值：1111，对应的十进制值是15，所以最终首部长度最大时15*4=60字节。

        由于首部固定长度是20字节，所以可变长度是0~40字节。

3.总长度：Total Length

        占16位

        3.1.首部+数据部分的长度之和，即整个数据包的长度，最大值是65535字节。

        3.2.整个数据包是要传给数据链路层作为帧的数据部分的，但是帧的数据部分不能超过1500字节，所以过大的IP数据包，会被分成片（fragments）传输给数据链路层。

        而且每一片fragments都有自己的网络层首部（IP首部）。

4.区分服务：Differentiated Services Field

        4.1.占8位，可以用来提高网络的服务质量，Quality of Service

        4.2.没有值时：0x00；如果值是0x40，可能路由器就会优先传输这个给IP包，即提高网络服务质量。

        区分服务这部分是不需要用户关心的。

5.标识（Identification）：

        5.1.占16位，数据包的ID，当数据包传给数据链路层时，发现数据包过大，数据包就会进行分片。每一片fragments都有自己的IP首部，而且这些片的IP首部的标识部分都一样。这样就能区分哪些片是一个IP包拆分的。被分片的数据包的标识位ID是不变的，所有片的标识都是一样的。

        5.2.数据包的ID：代表是哪个IP包。而且有一个计数器专门管理数据包的ID，没发出一个数据包，ID就加1。

        5.3.这个时候虽然能确定下来片fragments属于哪个数据包，但是怎么确定哪个片属于数据包的哪个部分呢？使用下面介绍的片偏移的方式。

        如果数据包过大，标识的数值加到最大的时候，就会变成0，从0从新开始加。

6.片偏移（Fragment Offset）

       同一个数据包的标识ID是一样的，那么划分的长度都是最长的，所以可以通过片偏移的方式，从一个片的位置找到下一个片的位置。

         1.占13位，片偏移乘以8：字节偏移，每一片的长度一定是8的整数倍。

        2.字节偏移：

                        第一片：从IP数据包首部后的第0字节处开始算，共1400字节

                        第二片：从IP数据包首部后的第1400字节处开始算，共1400字节。

                        第三片：从IP数据包首部后的第2800字节处开始算，共1000字节。

                                        所以第一片的字节偏移是0，其IP首部中片偏移就是0/8=0

                        第二片的字节偏移是1400，其IP首部中片偏移就是1400/8=175

                        第三片的字节偏移是2800，其IP首部中片偏移就是2800/8=350

        3.为什么不直接用字节偏移呢，而是要再除以8，用片偏移呢？

                       因为存放偏移量的这部分一共才13位，最大值是8192-1=8191。而整个IP数据包的最大长度是65535字节。所以如果用字节偏移量的话，很可能13位不够表示。

7.标志（Flags）

        1.占3位，每一位有不同的含义。

        2.第一位（Reserved Bit）：保留位

        3.第二位（Don't Fragment）：1代表不允许分片，0代表允许分片

        4.第三位（More Fragments）：1代表不是最后一片，0代表最后一片。

                一旦发现第三位是0，说明这个网络层的数据包已经组装好了。

8.协议和首部检验和

        只对网络协议报文中的首部进行检验。刚开始首部检验和的几位全是零，对首部计算之后的检验值放在首部检验和的位置。

        网络层的数据是从运输层传下来的，那么运输层用的什么协议会被记录下来，放在网络层首部的协议位置处。

        另外，ICMP也有协议字段，但是这些协议是被划分到网络层的。

        传输层的TCP协议的数据，或者UDP协议的数据，都会传输给网络层，被打包成IP协议的数据。

9.生存时间：Time To Live, TTL

        占8位

        1.每个路由器在转发之前都会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，路由器会返回错误报告。

        2.各个操作系统的发送数据的默认TTL，减一的次数也是不一样的。

        如果没有上面的生存时间，如果用户配置错误，导致数据在两个路由器之间来回的传输出数据，就会占据路由器，导致路由器无法工作。

        所以百度服务器应该是部署在linux服务器上，所以中间经历了64-52=12个服务器。

        3.ping baidu.com -i 1

        设置ping的数据的TTL是1，那么经过第一个路由器时就会减成0，就不会往下再发送包，而是返回报错信息。

        我得ip：192.168.43.143。所以我的第一个网关地址就是192.168.43.1：

二、传输层协议

        1.传输层的TCP协议的数据，或者UDP协议的数据，都会传输给网络层，被打包成IP（IPV4、IPV6）协议的数据。

        2.传输层主要有两个协议：

        1.TCP（Transimission Control Proticol），传输控制协议

如果之前的数据没有发送成功，还会再发送一次，那么就打乱了实时性（现在接收的信息，突然插入一个之前的信息）。

        2.UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议。

如果之前的数据没有成功发过来，那我也不要了，我只关注当前的信息：音视频通话。

        3.两个协议的大致区别：

        4.我们一般发送一个请求，是先在应用层用一个协议封装一个数据，然后在发给下一层，即传输层。

        TCP协议一般封装的是，来自应用层的HTTP/HTTPS等协议封装的数据

        UDP协议一般封装的是，来自应用层的DNS协议封装的数据。

1、UDP协议

1.1、UDP的数据格式

        1.UDP是无连接的，减少了建立和释放连接的开销

        2.UDP尽最大可能交付传输的数据，但是不保证数据的完整性，即不保证可靠交付。

        3.因此不需要维护一些复杂的参数，首部只有8个字节。（TCP首部至少20个字节）

1.2、UDP首部的构成

        1.UDP长度

                16位，2字节：表示  首部的长度+数据的长度

        2.UDP校验和 Checksum

                检验和的计算部分：伪首部+首部+数据

                伪首部：仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层。

        3.端口Port

                1.服务器可以在一个端口上开启一个服务器软件，这个服务器软件来监听发送到这个端口的数据。之后服务器软件再从8080端口将数据返回给客户端。

                2.UDP首部中每个端口部分占用2字节，可以推测出端口号的取值范围0~65535。

                3.客户端的源端口是应用软件发送请求时的端口，而且是临时开启的随机端口，不固定。

                临时开一个端口发数据，所以同一个应用软件前后两次发数据时，源端口很可能是不一样的。

                4.服务响应请求，返回数据时。此时UDP数据包首部中的目的端口部分，就是客户端发送这个数据的源端口。

                客户端接收到响应的数据，发现目的端口是12656，就会恍然；原来是响应我上次从12656端口发送的数据。

                服务器发送数据时，源端口不变。

        5.防火墙可以设置开启/关闭一些端口来提高安全性。

        6、防火墙和服务器之间的管理

        用户只能发请求过来，请求获得服务器数据，不能通过账号或密码直接访问服务器。

1.3、UDP的抓包分析

        注意：服务器是采用80端口监听数据的。

下面是抓包分析UDP报文数据格式。

        1.传输层的首部是1f 40 0f a8 00 3f 0e 73这8个字节，下面的部分02开始是传输层的数据部分。

        2.传输层的数据会传给网络层，被封装成包：而且数据部分是从1f 40 0f a8 00 3f 0e 73这8个字节开始。