歡迎關(guān)注博主 Mindtechnist 或加入【Linux C/C++/Python社區(qū)】一起學(xué)習(xí)和分享Linux、C、C++、Python、Matlab，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、多機(jī)器人協(xié)作，智能優(yōu)化算法，濾波估計(jì)、多傳感器信息融合，機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能等相關(guān)領(lǐng)域的知識和技術(shù)。

---

---

專欄：《網(wǎng)絡(luò)編程》

數(shù)據(jù)包封裝

傳輸層及其以下的機(jī)制由內(nèi)核提供，應(yīng)用層由用戶進(jìn)程提供（后面將介紹如何使用socket API編寫應(yīng)用程序），應(yīng)用程序?qū)νㄓ崝?shù)據(jù)的含義進(jìn)行解釋，而傳輸層及其以下處理通訊的細(xì)節(jié)，將數(shù)據(jù)從一臺計(jì)算機(jī)通過一定的路徑發(fā)送到另一臺計(jì)算機(jī)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，每層協(xié)議都要加上一個(gè)數(shù)據(jù)首部（header），稱為封裝（Encapsulation），如下圖所示：

不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段（segment），在網(wǎng)絡(luò)層叫做數(shù)據(jù)報(bào)（datagram），在鏈路層叫做幀（frame）。數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質(zhì)上，到達(dá)目的主機(jī)后每層協(xié)議再剝掉相應(yīng)的首部，最后將應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。

以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)的幀格式如下所示：

其中的源地址和目的地址是指網(wǎng)卡的硬件地址（也叫MAC地址），長度是48位，是在網(wǎng)卡出廠時(shí)固化的?？稍趕hell中使用ifconfig命令查看，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。協(xié)議字段有三種值，分別對應(yīng)IP、ARP、RARP。幀尾是CRC校驗(yàn)碼。
以太網(wǎng)幀中的數(shù)據(jù)長度規(guī)定最小46字節(jié)，最大1500字節(jié)，ARP和RARP數(shù)據(jù)包的長度不夠46字節(jié)，要在后面補(bǔ)填充位。最大值1500稱為以太網(wǎng)的最大傳輸單元（MTU），不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的MTU，如果一個(gè)數(shù)據(jù)包從以太網(wǎng)路由到撥號鏈路上，數(shù)據(jù)包長度大于撥號鏈路的MTU，則需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片（fragmentation）。ifconfig命令輸出中也有“MTU:1500”。注意，MTU這個(gè)概念指數(shù)據(jù)幀中有效載荷的最大長度，不包括幀頭長度。

ARP數(shù)據(jù)報(bào)格式

在網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)，源主機(jī)的應(yīng)用程序知道目的主機(jī)的IP地址和端口號，卻不知道目的主機(jī)的硬件地址，而數(shù)據(jù)包首先是被網(wǎng)卡接收到再去處理上層協(xié)議的，如果接收到的數(shù)據(jù)包的硬件地址與本機(jī)不符，則直接丟棄。因此在通訊前必須獲得目的主機(jī)的硬件地址。ARP協(xié)議就起到這個(gè)作用。源主機(jī)發(fā)出ARP請求，詢問“IP地址是192.168.0.1的主機(jī)的硬件地址是多少”，并將這個(gè)請求廣播到本地網(wǎng)段（以太網(wǎng)幀首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示廣播），目的主機(jī)接收到廣播的ARP請求，發(fā)現(xiàn)其中的IP地址與本機(jī)相符，則發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包給源主機(jī)，將自己的硬件地址填寫在應(yīng)答包中。
每臺主機(jī)都維護(hù)一個(gè)ARP緩存表，可以用arp -a命令查看。緩存表中的表項(xiàng)有過期時(shí)間（一般為20分鐘），如果20分鐘內(nèi)沒有再次使用某個(gè)表項(xiàng)，則該表項(xiàng)失效，下次還要發(fā)ARP請求來獲得目的主機(jī)的硬件地址。想一想，為什么表項(xiàng)要有過期時(shí)間而不是一直有效？
ARP數(shù)據(jù)報(bào)的格式如下所示：

源MAC地址、目的MAC地址在以太網(wǎng)首部和ARP請求中各出現(xiàn)一次，對于鏈路層為以太網(wǎng)的情況是多余的，但如果鏈路層是其它類型的網(wǎng)絡(luò)則有可能是必要的。硬件類型指鏈路層網(wǎng)絡(luò)類型，1為以太網(wǎng)，協(xié)議類型指要轉(zhuǎn)換的地址類型，0x0800為IP地址，后面兩個(gè)地址長度對于以太網(wǎng)地址和IP地址分別為6和4（字節(jié)），op字段為1表示ARP請求，op字段為2表示ARP應(yīng)答。
看一個(gè)具體的例子。
請求幀如下（為了清晰在每行的前面加了字節(jié)計(jì)數(shù)，每行16個(gè)字節(jié)）：
以太網(wǎng)首部（14字節(jié)）

0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06

ARP幀（28字節(jié)）

0000: 00 01
0010: 08 00 06 04 00 01 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37
0020: 00 00 00 00 00 00 c0 a8 00 02

填充位（18字節(jié)）

0020: 00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太網(wǎng)首部：目的主機(jī)采用廣播地址，源主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，上層協(xié)議類型0x0806表示ARP。
ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網(wǎng)，協(xié)議類型0x0800表示IP協(xié)議，硬件地址（MAC地址）長度為6，協(xié)議地址（IP地址）長度為4，op為0x0001表示請求目的主機(jī)的MAC地址，源主機(jī)MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，源主機(jī)IP地址為c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主機(jī)MAC地址全0待填寫，目的主機(jī)IP地址為c0 a8 00 02（192.168.0.2）。
由于以太網(wǎng)規(guī)定最小數(shù)據(jù)長度為46字節(jié)，ARP幀長度只有28字節(jié)，因此有18字節(jié)填充位，填充位的內(nèi)容沒有定義，與具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)。
應(yīng)答幀如下：
以太網(wǎng)首部

0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06

ARP幀

0000: 00 01
0010: 08 00 06 04 00 02 00 05 5d a1 b8 40 c0 a8 00 02
0020: 00 05 5d 61 58 a8 c0 a8 00 37

填充位

0020: 00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太網(wǎng)首部：目的主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，源主機(jī)的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40，上層協(xié)議類型0x0806表示ARP。
ARP幀：硬件類型0x0001表示以太網(wǎng)，協(xié)議類型0x0800表示IP協(xié)議，硬件地址（MAC地址）長度為6，協(xié)議地址（IP地址）長度為4，op為0x0002表示應(yīng)答，源主機(jī)MAC地址為00:05:5d:a1:b8:40，源主機(jī)IP地址為c0 a8 00 02（192.168.0.2），目的主機(jī)MAC地址為00:05:5d:61:58:a8，目的主機(jī)IP地址為c0 a8 00 37（192.168.0.55）。

IP段格式

IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部長度和數(shù)據(jù)長度都是可變長的，但總是4字節(jié)的整數(shù)倍。對于IPv4，4位版本字段是4。4位首部長度的數(shù)值是以4字節(jié)為單位的，最小值為5，也就是說首部長度最小是4x5=20字節(jié)，也就是不帶任何選項(xiàng)的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是說首部長度最大是60字節(jié)。8位TOS字段有3個(gè)位用來指定IP數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)先級（目前已經(jīng)廢棄不用），還有4個(gè)位表示可選的服務(wù)類型（最小延遲、最大?吐量、最大可靠性、最小成本），還有一個(gè)位總是0?？傞L度是整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)（包括IP首部和IP層payload）的字節(jié)數(shù)。每傳一個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)，16位的標(biāo)識加1，可用于分片和重新組裝數(shù)據(jù)報(bào)。3位標(biāo)志和13位片偏移用于分片。TTL（Time to live)是這樣用的：源主機(jī)為數(shù)據(jù)包設(shè)定一個(gè)生存時(shí)間，比如64，每過一個(gè)路由器就把該值減1，如果減到0就表示路由已經(jīng)太長了仍然找不到目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，就丟棄該包，因此這個(gè)生存時(shí)間的單位不是秒，而是跳（hop）。協(xié)議字段指示上層協(xié)議是TCP、UDP、ICMP還是IGMP。然后是校驗(yàn)和，只校驗(yàn)IP首部，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)由更高層協(xié)議負(fù)責(zé)。IPv4的IP地址長度為32位。

UDP數(shù)據(jù)報(bào)格式

下面分析一幀基于UDP的TFTP協(xié)議幀。
以太網(wǎng)首部

0000: 00 05 5d 67 d0 b1 00 05 5d 61 58 a8 08 00

IP首部

0000: 45 00
0010: 00 53 93 25 00 00 80 11 25 ec c0 a8 00 37 c0 a8
0020: 00 01

UDP首部

0020： 05 d4 00 45 00 3f ac 40

TFTP協(xié)議

0020: 00 01 'c'':''\''q'
0030: 'w''e''r''q''.''q''w''e'00 'n''e''t''a''s''c''i'
0040: 'i'00 'b''l''k''s''i''z''e'00 '5''1''2'00 't''i'
0050: 'm''e''o''u''t'00 '1''0'00 't''s''i''z''e'00 '0'

0060: 00以太網(wǎng)首部：源MAC地址是00:05:5d:61:58:a8，目的MAC地址是00:05:5d:67:d0:b1，上層協(xié)議類型0x0800表示IP。
IP首部：每一個(gè)字節(jié)0x45包含4位版本號和4位首部長度，版本號為4，即IPv4，首部長度為5，說明IP首部不帶有選項(xiàng)字段。服務(wù)類型為0，沒有使用服務(wù)。16位總長度字段（包括IP首部和IP層payload的長度）為0x0053，即83字節(jié)，加上以太網(wǎng)首部14字節(jié)可知整個(gè)幀長度是97字節(jié)。IP報(bào)標(biāo)識是0x9325，標(biāo)志字段和片偏移字段設(shè)置為0x0000，就是DF=0允許分片，MF=0此數(shù)據(jù)報(bào)沒有更多分片，沒有分片偏移。TTL是0x80，也就是128。上層協(xié)議0x11表示UDP協(xié)議。IP首部校驗(yàn)和為0x25ec，源主機(jī)IP是c0 a8 00 37（192.168.0.55），目的主機(jī)IP是c0 a8 00 01（192.168.0.1）。
UDP首部：源端口號0x05d4（1492）是客戶端的端口號，目的端口號0x0045（69）是TFTP服務(wù)的well-known端口號。UDP報(bào)長度為0x003f，即63字節(jié)，包括UDP首部和UDP層pay-load的長度。UDP首部和UDP層payload的校驗(yàn)和為0xac40。
TFTP是基于文本的協(xié)議，各字段之間用字節(jié)0分隔，開頭的00 01表示請求讀取一個(gè)文件，接下來的各字段是：

c:\qwerq.qwe
netascii
blksize 512
timeout 10
tsize 0

一般的網(wǎng)絡(luò)通信都是像TFTP協(xié)議這樣，通信的雙方分別是客戶端和服務(wù)器，客戶端主動(dòng)發(fā)起請求（上面的例子就是客戶端發(fā)起的請求幀），而服務(wù)器被動(dòng)地等待、接收和應(yīng)答請求。客戶端的IP地址和端口號唯一標(biāo)識了該主機(jī)上的TFTP客戶端進(jìn)程，服務(wù)器的IP地址和端口號唯一標(biāo)識了該主機(jī)上的TFTP服務(wù)進(jìn)程，由于客戶端是主動(dòng)發(fā)起請求的一方，它必須知道服務(wù)器的IP地址和TFTP服務(wù)進(jìn)程的端口號，所以，一些常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有默認(rèn)的服務(wù)器端口，例如HTTP服務(wù)默認(rèn)TCP協(xié)議的80端口，F(xiàn)TP服務(wù)默認(rèn)TCP協(xié)議的21端口，TFTP服務(wù)默認(rèn)UDP協(xié)議的69端口（如上例所示）。在使用客戶端程序時(shí)，必須指定服務(wù)器的主機(jī)名或IP地址，如果不明確指定端口號則采用默認(rèn)端口，請讀者查閱ftp、tftp等程序的man page了解如何指定端口號。/etc/services中列出了所有well-known的服務(wù)端口和對應(yīng)的傳輸層協(xié)議，這是由IANA（Internet Assigned Numbers Authority）規(guī)定的，其中有些服務(wù)既可以用TCP也可以用UDP，為了清晰，IANA規(guī)定這樣的服務(wù)采用相同的TCP或UDP默認(rèn)端口號，而另外一些TCP和UDP的相同端口號卻對應(yīng)不同的服務(wù)。
很多服務(wù)有well-known的端口號，然而客戶端程序的端口號卻不必是well-known的，往往是每次運(yùn)行客戶端程序時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)分配一個(gè)空閑的端口號，用完就釋放掉，稱為ephemeral的端口號，這是為什么呢？
前面提過，UDP協(xié)議不面向連接，也不保證傳輸?shù)目煽啃?，例如?br> 發(fā)送端的UDP協(xié)議層只管把應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)封裝成段交給IP協(xié)議層就算完成任務(wù)了，如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障該段無法發(fā)到對方，UDP協(xié)議層也不會給應(yīng)用層返回任何錯(cuò)誤信息。
接收端的UDP協(xié)議層只管把收到的數(shù)據(jù)根據(jù)端口號交給相應(yīng)的應(yīng)用程序就算完成任務(wù)了，如果發(fā)送端發(fā)來多個(gè)數(shù)據(jù)包并且在網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)過不同的路由，到達(dá)接收端時(shí)順序已經(jīng)錯(cuò)亂了，UDP協(xié)議層也不保證按發(fā)送時(shí)的順序交給應(yīng)用層。
通常接收端的UDP協(xié)議層將收到的數(shù)據(jù)放在一個(gè)固定大小的緩沖區(qū)中等待應(yīng)用程序來提取和處理，如果應(yīng)用程序提取和處理的速度很慢，而發(fā)送端發(fā)送的速度很快，就會丟失數(shù)據(jù)包，UDP協(xié)議層并不報(bào)告這種錯(cuò)誤。
因此，使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序必須考慮到這些可能的問題并實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，例如等待應(yīng)答、超時(shí)重發(fā)、為數(shù)據(jù)包編號、流量控制等。一般使用UDP協(xié)議的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)都比較簡單，只是發(fā)送一些對可靠性要求不高的消息，而不發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。例如，基于UDP的TFTP協(xié)議一般只用于傳送小文件（所以才叫trivial的ftp），而基于TCP的FTP協(xié)議適用于 各種文件的傳輸。TCP協(xié)議又是如何用面向連接的服務(wù)來代替應(yīng)用程序解決傳輸?shù)目煽啃詥栴}呢。

TCP數(shù)據(jù)報(bào)格式

與UDP協(xié)議一樣也有源端口號和目的端口號，通訊的雙方由IP地址和端口號標(biāo)識。32位序號、32位確認(rèn)序號、窗口大小稍后詳細(xì)解釋。4位首部長度和IP協(xié)議頭類似，表示TCP協(xié)議頭的長度，以4字節(jié)為單位，因此TCP協(xié)議頭最長可以是4x15=60字節(jié)，如果沒有選項(xiàng)字段，TCP協(xié)議頭最短20字節(jié)。URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN是六個(gè)控制位。16位檢驗(yàn)和將TCP協(xié)議頭和數(shù)據(jù)都計(jì)算在內(nèi)。

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-792448.html

到了這里，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議格式 | 以太網(wǎng)幀、ARP數(shù)據(jù)報(bào)、IP數(shù)據(jù)報(bào)、UDP數(shù)據(jù)報(bào)、TCP數(shù)據(jù)報(bào)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！