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6. UDP段格式

6. UDP段格式

下图是UDP的段格式(该图出自[TCPIP])。

图 36.11. UDP段格式


下面分析一帧基于UDP的TFTP协议帧。

以太网首部
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协议
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

以太网首部:源MAC地址是00:05:5d:61:58:a8,目的MAC地址是00:05:5d:67:d0:b1,上层协议类型0x0800表示IP。

IP首部:每一个字节0x45包含4位版本号和4位首部长度,版本号为4,即IPv4,首部长度为5,说明IP首部不带有选项字段。服务类型为0,没有使用服务。16位总长度字段(包括IP首部和IP层payload的长度)为0x0053,即83字节,加上以太网首部14字节可知整个帧长度是97字节。IP报标识是0x9325,标志字段和片偏移字段设置为0x0000,就是DF=0允许分片,MF=0此数据报没有更多分片,没有分片偏移。TTL是0x80,也就是128。上层协议0x11表示UDP协议。IP首部校验和为0x25ec,源主机IP是c0 a8 00 37(192.168.0.55),目的主机IP是c0 a8 00 01(192.168.0.1)。

UDP首部:源端口号0x05d4(1492)是客户端的端口号,目的端口号0x0045(69)是TFTP服务的well-known端口号。UDP报长度为0x003f,即63字节,包括UDP首部和UDP层payload的长度。UDP首部和UDP层payload的校验和为0xac40。

TFTP是基于文本的协议,各字段之间用字节0分隔,开头的00 01表示请求读取一个文件,接下来的各字段是:

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

一般的网络通信都是像TFTP协议这样,通信的双方分别是客户端和服务器,客户端主动发起请求(上面的例子就是客户端发起的请求帧),而服务器被动地等待、接收和应答请求。客户端的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP客户端进程,服务器的IP地址和端口号唯一标识了该主机上的TFTP服务进程,由于客户端是主动发起请求的一方,它必须知道服务器的IP地址和TFTP服务进程的端口号,所以,一些常见的网络协议有默认的服务器端口,例如HTTP服务默认TCP协议的80端口,FTP服务默认TCP协议的21端口,TFTP服务默认UDP协议的69端口(如上例所示)。在使用客户端程序时,必须指定服务器的主机名或IP地址,如果不明确指定端口号则采用默认端口,请读者查阅ftp、tftp等程序的man page了解如何指定端口号。/etc/services中列出了所有well-known的服务端口和对应的传输层协议,这是由IANA(Internet Assigned Numbers Authority)规定的,其中有些服务既可以用TCP也可以用UDP,为了清晰,IANA规定这样的服务采用相同的TCP或UDP默认端口号,而另外一些TCP和UDP的相同端口号却对应不同的服务。

很多服务有well-known的端口号,然而客户端程序的端口号却不必是well-known的,往往是每次运行客户端程序时由系统自动分配一个空闲的端口号,用完就释放掉,称为ephemeral的端口号,想想这是为什么。

前面提过,UDP协议不面向连接,也不保证传输的可靠性,例如:

  • 发送端的UDP协议层只管把应用层传来的数据封装成段交给IP协议层就算完成任务了,如果因为网络故障该段无法发到对方,UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。

  • 接收端的UDP协议层只管把收到的数据根据端口号交给相应的应用程序就算完成任务了,如果发送端发来多个数据包并且在网络上经过不同的路由,到达接收端时顺序已经错乱了,UDP协议层也不保证按发送时的顺序交给应用层。

  • 通常接收端的UDP协议层将收到的数据放在一个固定大小的缓冲区中等待应用程序来提取和处理,如果应用程序提取和处理的速度很慢,而发送端发送的速度很快,就会丢失数据包,UDP协议层并不报告这种错误。

因此,使用UDP协议的应用程序必须考虑到这些可能的问题并实现适当的解决方案,例如等待应答、超时重发、为数据包编号、流量控制等。一般使用UDP协议的应用程序实现都比较简单,只是发送一些对可靠性要求不高的消息,而不发送大量的数据。例如,基于UDP的TFTP协议一般只用于传送小文件(所以才叫trivial的ftp),而基于TCP的FTP协议适用于各种文件的传输。下面看TCP协议如何用面向连接的服务来代替应用程序解决传输的可靠性问题。

4. IP数据报格式

4. IP数据报格式

IP数据报的格式如下(这里只讨论IPv4)(该图出自[TCPIP]):

图 36.8. IP数据报格式


IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的,但总是4字节的整数倍。对于IPv4,4位版本字段是4。4位首部长度的数值是以4字节为单位的,最小值为5,也就是说首部长度最小是4x5=20字节,也就是不带任何选项的IP首部,4位能表示的最大值是15,也就是说首部长度最大是60字节。8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级(目前已经废弃不用),还有4个位表示可选的服务类型(最小延迟、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本),还有一个位总是0。总长度是整个数据报(包括IP首部和IP层payload)的字节数。每传一个IP数据报,16位的标识加1,可用于分片和重新组装数据报。3位标志和13位片偏移用于分片。TTL(Time to live)是这样用的:源主机为数据包设定一个生存时间,比如64,每过一个路由器就把该值减1,如果减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络,就丢弃该包,因此这个生存时间的单位不是秒,而是跳(hop)。协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。然后是校验和,只校验IP首部,数据的校验由更高层协议负责。IPv4的IP地址长度为32位。选项字段的解释从略。

想一想,前面讲了以太网帧中的最小数据长度为46字节,不足46字节的要用填充字节补上,那么如何界定这46字节里前多少个字节是IP、ARP或RARP数据报而后面是填充字节?

5. IP地址与路由

5. IP地址与路由

IPv4的IP地址长度为4字节,通常采用点分十进制表示法(dotted decimal representation)例如0xc0a80002表示为192.168.0.2。Internet被各种路由器和网关设备分隔成很多网段,为了标识不同的网段,需要把32位的IP地址划分成网络号和主机号两部分,网络号相同的各主机位于同一网段,相互间可以直接通信,网络号不同的主机之间通信则需要通过路由器转发。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案,把所有IP地址分为五类,如下图所示(该图出自[TCPIP])。

图 36.9. IP地址类


A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

一个A类网络可容纳的地址数量最大,一个B类网络的地址数量是65536,一个C类网络的地址数量是256。D类地址用作多播地址,E类地址保留未用。

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址,导致B类地址很快就分配完了,而A类却浪费了大量地址。这种方式对网络的划分是flat的而不是层级结构(hierarchical)的,Internet上的每个路由器都必须掌握所有网络的信息,随着大量C类网络的出现,路由器需要检索的路由表越来越庞大,负担越来越重。

针对这种情况提出了新的划分方案,称为CIDR(Classless Interdomain Routing)。网络号和主机号的划分需要用一个额外的子网掩码(subnet mask)来表示,而不能由IP地址本身的数值决定,也就是说,网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关,因此称为Classless的。这样,多个子网就可以汇总(summarize)成一个Internet上的网络,例如,有8个站点都申请了C类网络,本来网络号是24位的,但是这8个站点通过同一个ISP(Internet service provider)连到Internet上,它们网络号的高21位是相同的,只有低三位不同,这8个站点就可以汇总,在Internet上只需要一个路由表项,数据包通过Internet上的路由器到达ISP,然后在ISP这边再通过次级的路由器选路到某个站点。

下面举两个例子:

表 36.1. 划分子网的例子1

IP地址140.252.20.688C FC 14 44
子网掩码255.255.255.0FF FF FF 00
网络号140.252.20.08C FC 14 00
子网地址范围140.252.20.0~140.252.20.255 

表 36.2. 划分子网的例子2

IP地址140.252.20.688C FC 14 44
子网掩码255.255.255.240FF FF FF F0
网络号140.252.20.648C FC 14 40
子网地址范围140.252.20.64~140.252.20.79 

可见,IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号,主机号从全0到全1就是子网的地址范围。IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68,子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0。

如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上,理论上使用任意的IP地址都可以,但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址,这些地址不会出现在Internet上,如下表所示。

  • 10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址

  • 172.16.*到172.31.*,前12位是网络号,共1,048,576个地址

  • 192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址

使用私有IP地址的局域网主机虽然没有Internet的IP地址,但也可以通过代理服务器或NAT(网络地址转换)等技术连到Internet上。

除了私有IP地址之外,还有几种特殊的IP地址。127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1。loopback是系统中一种特殊的网络设备,如果发送数据包的目的地址是环回地址,或者与本机其它网络设备的IP地址相同,则数据包不会发送到网络介质上,而是通过环回设备再发回给上层协议和应用程序,主要用于测试。如下图所示(该图出自[TCPIP])。

图 36.10. loopback设备


还有一些不能用作主机IP地址的特殊地址:

  • 目的地址为255.255.255.255,表示本网络内部广播,路由器不转发这样的广播数据包。

  • 主机号全为0的地址只表示网络而不能表示某个主机,如192.168.10.0(假设子网掩码为255.255.255.0)。

  • 目的地址的主机号为全1,表示广播至某个网络的所有主机,例如目的地址192.168.10.255表示广播至192.168.10.0网络(假设子网掩码为255.255.255.0)。

下面介绍路由的过程,首先正式定义几个名词:

路由(名词)

数据包从源地址到目的地址所经过的路径,由一系列路由节点组成。

路由(动词)

某个路由节点为数据报选择投递方向的选路过程。

路由节点

一个具有路由能力的主机或路由器,它维护一张路由表,通过查询路由表来决定向哪个接口发送数据包。

接口

路由节点与某个网络相连的网卡接口。

路由表

由很多路由条目组成,每个条目都指明去往某个网络的数据包应该经由哪个接口发送,其中最后一条是缺省路由条目。

路由条目

路由表中的一行,每个条目主要由目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、发送接口四部分组成,如果要发送的数据包的目的网络地址匹配路由表中的某一行,就按规定的接口发送到下一跳地址。

缺省路由条目

路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

$ ifconfig
eth0 Link encap:Ethernet  HWaddr 00:0C:29:C2:8D:7E inet addr:192.168.10.223  Bcast:192.168.10.255  Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1 RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:10 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:0 (0.0 b)  TX bytes:420 (420.0 b) Interrupt:10 Base address:0x10a0

eth1 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:C2:8D:88 inet addr:192.168.56.136 Bcast:192.168.56.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:603 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:110 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:55551 (54.2 Kb) TX bytes:7601 (7.4 Kb) Interrupt:9 Base address:0x10c0

lo Link encap:Local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1 RX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:3020 (2.9 Kb) TX bytes:3020 (2.9 Kb)
$ route
Kernel IP routing table
DestinationGateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface
192.168.10.0 *255.255.255.0 U0 0 0 eth0
192.168.56.0 *255.255.255.0 U0 0 0 eth1
127.0.0.0 255.0.0.0 U0 0 0 lo
default 192.168.10.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0

这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络。路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发,因此下一跳地址处记为号。

如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3,跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符,再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去,由于192.168.56.0/24正是与eth1接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发。

如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2,跟前三行路由表条目都不匹配,那么就要按缺省路由条目,从eth0接口发出去,首先发往192.168.10.1路由器,再让路由器根据它的路由表决定下一跳地址。

2. 以太网(RFC 894)帧格式

2. 以太网(RFC 894)帧格式

以太网的帧格式如下所示(该图出自[TCPIP]):

图 36.6. 以太网帧格式


其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址),长度是48位,是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令看一下,“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP和RARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU,如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation)。ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注意,MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度,不包括帧首部的长度。

3. ARP数据报格式

3. ARP数据报格式

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址,而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。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(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播),目的主机接收到广播的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,可以用arp -a命令查看。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ARP请求来获得目的主机的硬件地址。想一想,为什么表项要有过期时间而不是一直有效?

ARP数据报的格式如下所示(该图出自[TCPIP]):

图 36.7. ARP数据报格式


注意到源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,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型,1为以太网,协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址,后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4(字节),op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答。

下面举一个具体的例子。

请求帧如下(为了清晰在每行的前面加了字节计数,每行16个字节):

以太网首部(14字节)
0000: ff ff ff ff ff ff 00 05 5d 61 58 a8 08 06
ARP帧(28字节)
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字节)
0020:                               00 77 31 d2 50 10
0030: fd 78 41 d3 00 00 00 00 00 00 00 00

以太网首部:目的主机采用广播地址,源主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8,上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧:硬件类型0x0001表示以太网,协议类型0x0800表示IP协议,硬件地址(MAC地址)长度为6,协议地址(IP地址)长度为4,op为0x0001表示请求目的主机的MAC地址,源主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8,源主机IP地址为c0 a8 00 37(192.168.0.55),目的主机MAC地址全0待填写,目的主机IP地址为c0 a8 00 02(192.168.0.2)。

由于以太网规定最小数据长度为46字节,ARP帧长度只有28字节,因此有18字节填充位,填充位的内容没有定义,与具体实现相关。

应答帧如下:

以太网首部
0000: 00 05 5d 61 58 a8 00 05 5d a1 b8 40 08 06
ARP帧
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

以太网首部:目的主机的MAC地址是00:05:5d:61:58:a8,源主机的MAC地址是00:05:5d:a1:b8:40,上层协议类型0x0806表示ARP。

ARP帧:硬件类型0x0001表示以太网,协议类型0x0800表示IP协议,硬件地址(MAC地址)长度为6,协议地址(IP地址)长度为4,op为0x0002表示应答,源主机MAC地址为00:05:5d:a1:b8:40,源主机IP地址为c0 a8 00 02(192.168.0.2),目的主机MAC地址为00:05:5d:61:58:a8,目的主机IP地址为c0 a8 00 37(192.168.0.55)。

思考题:如果源主机和目的主机不在同一网段,ARP请求的广播帧无法穿过路由器,源主机如何与目的主机通信?