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  • 以太网协议报文格式,介绍了TCP/IP协议簇,以太帧类型,不同类型的帧封装格式
  • 一系列以太网协议报文格式归纳详解,包括ip tcp udp等协议!
  • 以太网协议封装格式

    千次阅读 2017-07-01 13:38:43
    一、以太网链路层协议封装格式 以太网数据在网络介质上传输需要遵循一定的机制,其中CSMA/CD介质访问控制机制约定了以太网在传输数据时,两帧之间需要等待一个帧间隙时间(IFG或IPG),为以太网接口提供了帧接收...

    一、以太网链路层协议封装格式

     

    以太网数据在网络介质上传输需要遵循一定的机制,其中CSMA/CD介质访问控制机制约定了以太网在传输数据时,两帧之间需要等待一个帧间隙时间(IFG或IPG),为以太网接口提供了帧接收之间的恢复时间,该恢复时间最小值为传输96bit所花费的时间,对于10M线路,该时间为9.6uS,100M线路为960nS,1G的线路为96nS。同时以太网数据帧在传输时还需要有7byte的前导字段和1byte的定界符。因此以太网数据在传输过程中是由以下部分组成的:7byte(前导)+1byte(定界符)+以太网数据帧+12byte(IPG)

    在全双工工作模式下,如果CSMA/CD介质访问控制机制发现传输冲突时,则会放弃当前帧发送,改为发送一个48比特的噪声帧。

    其中以太网数据帧限制为最小长度为64byte,最大长度为1518byte,其格式为:6byte(目的MAC地址)+6byte(源MAC地址)+2byte(类型字段)+数据字段+4byte(FCS校验字段)。其中帧类型字段标识其后的数据类型。

    这里值得注意的是区分EthernetII帧格式和802.3帧格式的不同,我们有时可能会混用了这两个术语。

    EthernetII帧是最常见的一种以太网帧格式,也是今天以太网的事实标准,由DEC,Intel和Xerox在1982年公布标准,EthernetII可以支持TCP/IP,Novell IPX/SPX,Apple Talk PhaseI等协议,其比较常见的类型字段为:0X0800(IP帧),0X0806(ARP请求/应答帧),0X8035(PARP请求/应答帧),0X8137(NovellIPX),0X809b(Apple Talk)。RFC 894定义了IP报文在Ethernet II上的封装格式。

    802.3帧将EthernetII帧头中的类型字段替换为帧长度字段(取值范围为0X0000-0X05dc,不包括CRC检验码),因此对于接收到的帧,如果类型字段取值范围为0X0000-0X05dc,则可以判断其为802.3帧,而非EthernetII帧。其中RAW802.3是1983年Novell发布Netware/86网络套件时采用的私有以太网帧格式,只支持IPX/SPX一种协议;802.3/802.2LLC是IEEE 公布的正式802.3标准,它加入了3byte的LLC字段, 其中SAP值用以标志上层应用,每个SAP字段为8bits,其中只有6bit用于标识上层协议,因此所能标识的协议数不超过32种,导致802.3/802.2LLC的使用有很大局限性;802.3/802.2 SNAP是IEEE为保证在802.2LLC上支持更多的上层协议同时更好的支持IP协议而发布的标准,在802.3/802.2LLC基础上添加了5byte的SNAP字段,从而使其可以标识更多的上层协议类型,OUI字段用于代表不同的组织(一般置为0),在802.3/802.2SNAP基础上RFC1042定义了IP报文在802.2网络中的封装方法和ARP协议在802.2 SANP中的实现。

    目前实际环境中大多数TCP/IP设备都使用Ethernet II格式的帧,它采用了RFC894的实现标准。从上述帧格式中可以看出,EthernetII格式帧数据段的长度限制在46byte-1500byte之间,当数据段长度小于46个字节时,加填充字段(PAD)补足。EthernetII和802.3对数据帧的长度限制,其最大值分别是1500和1492字节,这一特性称作最大传输单元(MTU)。

     

    以太网协议封装格式
     

     

    图 IEEE802.2/802.3(RFC1042)和EthernetII(RFC894)的封装格式

    在TCP/IP协议族中,链路层主要有三个目的:(1)为IP模块发送和接收IP数据报;(2)为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答;(3)为RARP发送RARP请求和接收RARP应答。

     

     

    二、以太网IP层协议封装格式

    在TCP/IP协议族中基于链路层以上的协议主要有三种:IP协议、ARP协议和RARP协议,其中在IP数据报中又额外封装了ICMP协议和IGMP协议。IP层协议也就是通常的网络层协议,它提供点到点的服务(不同于传输层TCP/UDP协议提供端到端的服务)。

    4 bits

    4 bits

    8 bits

    3 bits

    13 bits

    版本号

    首部长度

    服务类型(TOS)

    总长度(字节数)

    标   识

    标志

    片偏移

    生存时间(TTL)

    协议

    首部校验和

    源IP地址

    目的IP地址

    选                     项

    数                     据

    IP包封装格式

    版本号:IP包的版本,当前一般为IPv4,即0100。

    首部长度:IP包头长度(Internet Header Length,IHL),是一个4bit字段,是头部占32比特的数字,包括可选项。普通IP数据报(没有任何选项),该字段的值是5,即160比特=20字节。此字段最大值为60字节,表示头部报文中没有发送可选部分数据。

    服务类型(TOS):其中前3比特为优先权子字段(Precedence,现已被忽略)。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0,若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如:TELNET协议可能要求有最小的延迟,FTP协议(数据)可能要求有最大吞吐量,SNMP协议可能要求有最高可靠性,NNTP(NetworkNews Transfer Protocol,网络新闻传输协议)可能要求最小费用,而ICMP协议可能无特殊要求(4比特全为0)。实际上,大部分主机会忽略这个字段,但一些动态路由协议如OSPF(OpenShortest Path First Protocol)、IS-IS(Intermediate System to Intermediate SystemProtocol)可以根据这些字段的值进行路由决策。

    总长度:头部及数据项长度,最大长度为65535bytes。

    标识:当IP包较大需要进行分段时,用于标识该段所属的分组。通常每发一份报文,它的值会加1。

    标志:构成为[0][D][M],其中D为1表示不分段,M为0表示为最后分段,为1表示非最后分段。

    片偏移:即分段偏移。如果一份数据报要求分段的话,此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。

    生存时间(TTL):表示一个IP数据流的生命周期,由发送数据的源主机设置,通常为32、64、128等。每次IP数据包经过一个路由器的时候TTL就减一,当减到0时,这个数据包就消亡了。

    协议:传输层的协议类型。

    协议代码

    协 议 名 称

    1

    ICMP (Internet Control Message Protocol)

    2

    IGMP (Internet Group Management Protocol)

    3

    GGP (Gateway-to-Gateway Protocol)

    4

    IP (IP in IP encapsulation)

    6

    TCP (Transmission Control Protocol)

    8

    EGP (Exterior Gateway Protocol)

    17

    UDP (User Datagram Protocol

    首部校验和:根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是:对头部中每个16比特进行二进制反码求和。(和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同,IP不对头部后的数据进行校验)。

    选项:占32比特。用来定义一些任选项:如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用,同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍,如果不足,必须填充0以达到此长度要求。

    数据:IP包携带的各种传输层报文。

     

    IP报文头部实例:45 00 00 30 52 52 40 00 8006 2c 23 c0 a8 01 01 d8 03 e215 

     

    三、传输层协议封装格式

    1.TCP协议

       TCP是一种可靠的、面向连接的字节流服务。源主机在传送数据前需要先和目标主机建立连接。然后,在此连接上,被编号的数据段按序收发。同时,要求对每个数据段进行确认,保证了可靠性。如果在指定的时间内没有收到目标主机对所发数据段的确认,源主机将再次发送该数据段。

    4 bits

    6 bits

    6bits

    16bits

           源端口

    目的端口

    序列号(SEQ)

    确认号

    数据偏移量

    保留

    控制标识

    滑动窗口

    校验和

    紧急指针

    选项

    填充位

    数               据

    TCP包封装格式

    源、目标端口号字段:占16比特。TCP协议通过使用"端口"来标识源端和目标端的应用进程。端口号可以使用0到65535之间的任何数字。在收到服务请求时,操作系统动态地为客户端的应用程序分配端口号。在服务器端,每种服务在"众所周知的端口"(Well-KnowPort)为用户提供服务。

    顺序号字段:占32比特。用来标识从TCP源端向TCP目标端发送的数据字节流,它表示在这个报文段中的第一个数据字节。

    确认号字段:占32比特。只有ACK标志为1时,确认号字段才有效。它包含目标端所期望收到源端的下一个数据字节。

    数据偏移量:实际上是TCP首部长度,用来标识数据段的起始位置。给出头部占32比特的数目。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节;最多可以有60字节的TCP头部。

    控制标识(U、A、P、R、S、F)::TCP协议中的六个重要的标志。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。

    URG:(Urgent Pointer fieldsignificant)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:(Acknowledgmentfieldsignificant)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 theconnection)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 sequencenumbers)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 fromsender)用来释放连接,表明发送方已经没有数据发送了。

    滑动窗口:控制报文流量,用来告诉对方目前接收端缓冲器大小。当为0时标识缓冲器已满,需要停止发包,单位为byte。

    TCP校验和字段:占16比特。对整个TCP报文段,即TCP头部和TCP数据进行校验和计算,并由目标端进行验证。

    紧急指针字段:占16比特。它是一个偏移量,和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。

    选项字段:占32比特。可能包括"窗口扩大因子"、"时间戳"等选项。

     

    TCP协议头部实例:0d 28 00 15 50 5f a906 00 00 00 00 70 02 40 00 c0 29 00 00

     

    TCP建立连接的三次握手过程

    TCP会话通过三次握手来初始化。三次握手的目标是使数据段的发送和接收同步。同时也向其他主机表明其一次可接收的数据量(窗口大小),并建立逻辑连接。这三次握手的过程可以简述如下:

    1、源主机发送一个同步标志位(SYN)置1的TCP数据段。此段中同时标明初始序号(Initial SequenceNumber,ISN)。ISN是一个随时间变化的随机值。

    2、目标主机发回确认数据段,此段中的同步标志位(SYN)同样被置1,且确认标志位(ACK)也置1,同时在确认序号字段表明目标主机期待收到源主机下一个数据段的序号(即表明前一个数据段已收到并且没有错误)。此外,此段中还包含目标主机的段初始序号。

    3、源主机再回送一个数据段,同样带有递增的发送序号和确认序号。

    至此为止,TCP会话的三次握手完成。接下来,源主机和目标主机可以互相收发数据。

     

    2.UDP协议

           UDP是一种不可靠的、无连接的数据报服务。源主机在传送数据前不需要和目标主机建立连接。数据被冠以源、目标端口号等UDP报头字段后直接发往目的主机。这时,每个数据段的可靠性依靠上层协议来保证。在传送数据较少、较小的情况下,UDP比TCP更加高效。

    16 bits

    16bits

    源端口

    目的端口

    长度

    校验和

    数         据

    UDP包封装格式 

     

    源、目标端口号字段:16比特。作用与TCP数据段中的端口号字段相同,用来标识源端和目标端的应用进程。

    长度字段:占16比特。标明UDP头部和UDP数据的总长度字节。

    校验和字段:占16比特。用来对UDP头部和UDP数据进行校验。和TCP不同的是,对UDP来说,此字段是可选项,而TCP数据段中的校验和字段是必须有的。

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  • 大一中
  • 以太网数据包协议格式MAC层ARP层IP层ICMPUDPTCP、UDP数据包大小的限制 MAC层 帧格式: 帧介绍: 帧间隙(IFG): 网络设备和组件在接收一个帧之后,需要一段短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备。 不管 10M/100M/...

    MAC层

    帧格式:
    在这里插入图片描述

    帧介绍:
    在这里插入图片描述帧间隙(IFG):
    网络设备和组件在接收一个帧之后,需要一段短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备。
    不管 10M/100M/1000M的以太网,两帧之间最少要有96bit;公式:IFGmin=96bit/speed (单位:s),则:
    10Mmin 是9600 ns
    100Mmin 是960 ns
    1000Mmin 是 96 ns

    ARP层

    功能:
    地址解析协议(Address Resolution Protocol),其基本功能为透过目标设备的IP地址,查询目标设备的MAC地址,以保证通信的顺利进行。

    帧格式:
    在这里插入图片描述
    帧介绍:
    在这里插入图片描述帧传输:
    若当前链路层网络类型为以太网,网络层协议为IP协议,以太网源地址为MAC1,源IP地址为IP1, 以太网目的地址为MAC2,目的IP地址为IP2。
    在这里插入图片描述

    IP层

    帧格式:
    在这里插入图片描述帧介绍:
    在这里插入图片描述

    ICMP

    功能:
    侦测远端主机是否存在,建立及维护路由资料,重导资料传送路径(ICMP重定向),资料流量控制。ICMP在沟通之中,主要是透过不同的类别(Type)与代码(Code) 让机器来识别不同的连线状况。
    帧格式:
    在这里插入图片描述帧介绍:
    在这里插入图片描述

    UDP

    UDP 报头使用两个字节存放端口号,所以端口号的有效范围是从 0 到 65535。一般来说,大于 49151 的端口号都代表动态端口。
    帧格式:
    在这里插入图片描述帧介绍:
    在这里插入图片描述

    TCP、UDP数据包大小的限制

    在这里插入图片描述
    1.在链路层,由以太网的物理特性决定了数据帧的长度为(46+18)-(1500+18),其中的18是数据帧的头和尾,也就是说数据帧的内容最大为1500(不包括帧头和帧尾),即MTU(Maximum Transmission Unit)为1500;  
    2.在网络层,因为IP包的首部要占用20字节,所以这的MTU为1500-20=1480; 
    3.在传输层,对于UDP包的首部要占用8字节,所以这的MTU为1480-8=1472;   
    所以,在应用层,你的Data最大长度为1472。当我们的UDP包中的数据多于MTU(1472)时,发送方的IP层需要分片fragmentation进行传输,而在接收方IP层则需要进行数据报重组,由于UDP是不可靠的传输协议,如果分片丢失导致重组失败,将导致UDP数据包被丢弃。   
    从上面的分析来看,在普通的局域网环境下,UDP的数据最大为1472字节最好(避免分片重组)。   
    但在网络编程中,Internet中的路由器可能有设置成不同的值(小于默认值),Internet上的标准MTU值为576,所以Internet的UDP编程时数据长度最好在576-20-8=548字节以内。

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  • 以太网帧的格式2. ARP协议2.1 ARP协议的作用2.2 ARP数据报的格式 1.以太网帧的格式 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址),用来识别数据链路层中相应的结点,长度是48位即6个字节,是在网卡出厂...

    1.以太网帧的格式

    在这里插入图片描述

    • 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址),用来识别数据链路层中相应的结点,长度是48位即6个字节,是在网卡出厂时固定的
    • 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP,ARP,RARP
    • 帧末尾是CRC校验码

    2. ARP协议

    2.1 ARP协议的作用

    ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系

    知道了目的主机的网络地址,怎么找对应的主机呢?

    • 源主机发出ARP请求,询问IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少?,并将这个请求广播到本地网段(以太网首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)

    • 目的主机接收到广播ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中。

    • 每台主机都维护一个ARP缓存表,缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发送ARP请求来获得目的主机的硬件地址

    2.2 ARP数据报的格式

    在这里插入图片描述

    • 源MAC地址,目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其他类型的网络则很有可能是必要的
    • 硬件类型指链路层的网络类型 1为以太网
    • 协议类型指要转换的地址的类型 0800为IP地址
    • op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

    3.DNS

    DNS是一整台从域名映射到IP的系统
    应用层协议、底层用UDP

    3.1 DNS的作用

    用IP地址可以直接访问目标网络的主机吗?
    当然可以!
    那为什么要用域名?
    常识告诉我们人更容易识别字符串,比如我们看到www.baidu.com我们可以知道这是一个搜索服务,看到www.qq.com我们可以知道这是社交服务,但是当我们看到随便一个IP地址172.20.2.1我们并不知道这是干什么的?

    虽然人更容易识别字符串,但是在网络中还是只认IP地址,于是有了DNS(域名解析服务器),要想访问某台主机,先访问域名解析服务器,得到对应主机的IP地址后访问主机。

    在这里插入图片描述
    最初,通过互联网信息中心来管理这个hosts文件

    • 如果一个新计算机要接入网络,或者某个计算机IP变更,都需要到信息中心申请变更hosts文件。
    • 其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网

    这样操作十分麻烦,于是产生了DNS系统

    • 一个组织的系统管理机构,维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系
    • 如果新计算机接入网络,将这个信息注册到数据库中
    • 用户输入域名的时候,会自动查询DNS服务器,由DNS服务器检索数据库,得到对应的IP地址

    4.ICMP协议

    网络层协议

    4.1 ICMP的主要功能

    • 确认IP包是否成功到达目标地址
    • 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因
      在这里插入图片描述
      ICMP大概分为两类报文:
    • 一类是通知出错原因
    • 一类是用于诊断查询

    在这里插入图片描述

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    以太网(Ethernet)

    以太网是一种局域网技术,其规定了访问控制方法、传输控制协议、网络拓扑结构、传输速率等,完成数据链路层和物理层的一些内容,它采用一种称作CSMA/CD的媒体接入方法,其意思是带冲突检测的载波侦听多路接入(Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection),另外的一些局域网技术有令牌环网,无线LAN等。

    以太网协议

    TCP/IP四层模型中,以太网协议采用RFC894格式,如下图:
    在这里插入图片描述

    其中目的地址和源地址指的是MAC地址,即设备的物理地址。MAC地址用于标示网卡,每个网卡都具有唯一的MAC 地址
    在这里插入图片描述

    当在同一个局域网中,主机A需要给主机B发送消息时,主机A将以太网桢发出,此时局域网中所有主机均可收到这个桢,主机中的网卡接收到以太网桢后,会将目的MAC地址和自己的MAC地址进行比较,如果不相同就会丢弃,如果相同则会接收,此时则B主机就收到了A的消息。
    以太网桢中的类型指的是,其内部数据的协议类型,如果中间是IP数据报则协议类型为0800, 如果是ARP请求或者应答,则为0806,类型占两个字节
    其最后面是CRC循环冗余码,用于差错控制,即检验桢的正确性
    最后就是以太网桢为了提供足够快的响应速度具有长度限制,其数据部分的最大长度受到MTU控制, 最小长度不能小于46字节,如ARP请求为28位,为了满足最小长度需要填充到46位(PAD)

    MTU(最大传输单元)

    MTU是根据不同类型的网络给出的最大传输单元的限制,如以太网的MTU为1500字节,16MB/s的令牌环(IBM)的MTU 为17914字节,其作用是为了保证网络有足够快的响应速度,另外MTU 指的是以太网桢数据部分的长度,并非以太网桢的长度。假设需要发送的UDP数据报长度大于MTU减去IP首部长度,此时数据报在IP层就会进行分片。
    在这里插入图片描述

    单播 多播 广播

    在以太网协议中,目的地址分为三种单播地址、广播地址、多播地址,其中单播地址如上面A给B主机发送,其接收者为一个,并且其目的地址的最高字节的低位为0,
    以太网多播地址48位中的最高字节的低位为1,如 01:00:00:00:00:00 ,只要这一位为1均为多播地址,‘
    以太网广播地址可以看作特殊的多播地址其48位全为1 11:11:11:11:11:11,
    当网卡收到一个桢后查看桢检验和,如果桢检验和出错则丢弃,然后进行桢过滤,检验其桢是否具有合法的桢类型,其目的地址是否和自己的物理地址相同,或者是否是多播地址,然后根据帧类型进行分用。
    另外网卡可以设置为混合模式,可以接受每个收到的桢的一个复制,tcpdump采用这种方法。

    参考:《TCP/IP详解卷1:协议》 LawrenceBerkeley

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  • 网络协议之以太网协议解析

    千次阅读 2020-04-18 18:03:34
    Ethernet :以太网协议,用于实现链路层的数据传输和地址封装(MAC) 封装原理: 以太网的数据帧格式如下图所示: 它由6个字节的目的MAC地址,6个字节的源MAC地址,2个字节的类型域(用于标示封装在这...
  • IEEE 802.3-2015 以太网协议
  • IEEE 802.3 以太网协议

    2012-10-14 10:57:12
    IEEE 802.3 以太网协议,主要是10GBASE-T的相关协议
  • 以太网格式

    千次阅读 2017-09-10 11:15:29
    以太网格式概述​ 在以太网链路上传输的数据包可以称作以太网帧。以太网帧由前导码和帧起始符组成起始部分,后面即是以太网头部,中部则是该帧负载的其他协议数据包。以太网帧以1个32位的冗余校验码j结尾,用于...
  • 以太网协议

    2018-10-11 20:16:10
    以太网协议的解析程序,有利于读者对以太网帧的进行学习和解析
  • 以太网数据帧格式及ARP协议

    千次阅读 2020-08-29 15:59:52
    一、以太网中数据帧结构 以太网是目前最流行的一种局域网组网技术(其他常见局域网组网技术还有令牌环局域网、无线局域网、ATM局域网),以太网技术的正式标准是IEEE 802.3标准,它规定了在以太网中传输的数据帧...
  • 以太网协议 变得通俗易懂

    千次阅读 多人点赞 2017-02-14 18:55:39
    容易理解的以太网协议
  • 3:以太网协议 4:PING指令测试 1、概述 1.1:以太网是实现LAN的一种技术,它允许嵌入式系统连接到一个LAN中,并可通过使用网关经Internet连接到外部世界,以太网的主要目的是向LAN发送和从LAN接收以太网帧,在TCP...

空空如也

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