linux网络编程之IP协议首部格式与其配套使用的四个协议(ARP,RARP,ICMP,IGMP)和TCP、UDP协议头结构总结

2019-11-06 09:28:51

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供稿：网友

首先声明，这篇博客是几篇博客转载然后总结在一起的，只当是学习笔记，不在意是什么原创和转载了，学到东西就好。

1、ip协议首部格式（IP协议处余网络层）

IP数据报首部图片格式:最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit

头部代码结构如下

//定义IP首部typedef struct _iphdr{unsigned char h_lenver; //4 位IP版本号+4位首部长度unsigned char tos; //8位服务类型TOSunsigned short total_len; //16位IP包总长度（字节）unsigned short ident; //1 6位标识, 用于辅助IP包的拆装unsigned short frag_and_flags; //3位标志位+13位偏移位, 也是用于IP包的拆装unsigned char ttl; //8位IP包生存时间 TTLunsigned char PRoto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)unsigned short checksum; //16位IP首部校验和,最初置零,等所有包头都填写正确后,计算并替换.unsigned int sourceIP; //32位源IP地址unsigned int destIP; //32位目的IP地址}IP_HEADER;

版本:占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)首部长度:占4位,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为 4 字节)因此IP 的首部长度的最大值是 60 字节区分服务:占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过.1998 年这个字段改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下都不使用这个字段总长度:占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU标识:占16位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识标志(flag):占3位,目前只有前两位有意义 MF 标志字段的最低位是 MF (More Fragment) MF=1 表示后面“还有分片”。MF=0 表示最后一个分片 DF 标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 只有当 DF=0 时才允许分片片偏移:占12位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位

生存时间:占8位,记为TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255协议:占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程, 1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议

首部检验和:占16位,只检验数据报的首部不检验数据部分.这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法源地址和目的地址:都各占 4 字节,分别记录源地址和目的地址

计算校验和的经典函数：

SHORT checksum(USHORT* buffer, int size){ unsigned long cksum = 0; while(size>1) { cksum += *buffer++; size -= sizeof(USHORT); } if(size) { cksum += *(UCHAR*)buffer; } cksum = (cksum>>16) + (cksum&0xffff); cksum += (cksum>>16); return (USHORT)(~cksum);}

2、网际控制报文协议 ICMP（ICMP处于网络层）

目的:为了提高 IP 数据报交付成功的机会注意: 允许主机和路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 ICMP不是高层协议,而是IP层的协议 ICMP报文作为IP层数据报的数据,加上数据报的首部,组成 IP 数据报发送出去 ICMP报文的前4个字节是统一的格式,共有三个字段：即类型,代码和检验和.接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关种类: ICMP 差错报告报文: 终点不可达源点抑制(Source quench) 时间超过参数问题改变路由（重定向）(Redirect) ICMP 询问报文: 回送请求和回答报文时间戳请求和回答报文

报头结构（代码）形式

’

//定义ICMP首部typedef struct _icmphdr{unsigned char i_type; //8位类型unsigned char i_code; //8位代码unsigned short i_cksum; //16位校验和, 从TYPE开始,直到最后一位用户数据,如果为字节数为奇数则补充一位unsigned short i_id ; //识别号（一般用进程号作为识别号）, 用于匹配ECHO和ECHO REPLY包unsigned short i_seq ; //报文序列号, 用于标记ECHO报文顺序unsigned int timestamp; //时间戳}ICMP_HEADER;

报文格式:

或者用这张图片

ICMP各种报文状态如下：

目的不可达报文

类型：3	代码：0至15	检验和
未使用（全0）
收到的IP数据报的一部分，包括IP首部以及数据报数据的前8个字节

源端抑制报文

类型：4	代码：0	检验和
未使用（全0）
收到的IP数据报的一部分，包括IP首部以及数据报数据的前8个字节

超时报文

类型：11	代码：0或1	检验和
未使用（全0）
收到的IP数据报的一部分，包括IP首部以及数据报数据的前8个字节

参数问题

类型：12	代码：0或1	检验和
指针	未使用（全0）
收到的IP数据报的一部分，包括IP首部以及数据报数据的前8个字节

改变路由

类型：5	代码：0到3	检验和
目标路由器IP地址
收到的IP数据报的一部分，包括IP首部以及数据报数据的前8个字节

回送请求和回答

类型：8或0	代码：0	检验和
标识符		序号
由请求报文发送；由回答报文重复

时间戳请求和回答

类型：13或14	代码：0	检验和
标识符		序号
原始时间戳
接收时间戳
发送时间戳

地址掩码请求和回答

类型：17或18	代码：0	检验和
标识符		序号
地址掩码

路由询问和通告

类型：10	代码：0	检验和
标识符		序号

3、传输控制协议 TCP（TCP位于传输层）

TCP头部图片介绍

头部结构代码

struct tcphdr{ __u16 source; /*源地址端口*/ __u16 dest; /*目的地址端口*/ __u32 seq; /*序列号*/ __u32 ack_seq; /*确认序列号*/#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD) __u16 res1:4, /*保留*/ doff:4, /*偏移*/ fin:1, /*关闭连接标志*/ syn:1, /*请求连接标志*/ rst:1, /*重置连接标志*/ psh:1, /*接收方尽快将数据放到应用层标志*/ ack:1, /*确认序号标志*/ urg:1, /*紧急指针标志*/ ece:1, /*拥塞标志位*/ cwr:1; /*拥塞标志位*/#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD) __u16 doff:4, /*偏移*/ res1:4, /*保留*/ cwr:1, /*拥塞标志位*/ ece:1, /*拥塞标志位*/ urg:1, /*紧急指针标志*/ ack:1, /*确认序号标志*/ psh:1, /*接收方尽快将数据放到应用层标志*/ rst:1, /*重置连接标志*/ syn:1, /*请求连接标志*/ fin:1; /*关闭连接标志*/#else#error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines"#endif __u16 window; /*滑动窗口大小*/ __u16 check; /*校验和*/ __u16 urg_ptr; /*紧急字段指针*/};头文件：linux/tcp.htcphdr->source 16位源端口号tcphdr->dest 16位目的端口号tcphdr->seq 表示此次发送的数据在整个报文段中的起始字节数。序号是32 bit的无符号数。为了安全起见，它的初始值是一个随机生成的数，它到达32位最大值后，又从零开始。tcphdr->ack_seq 指定的是下一个期望接收的字节，而不是已经正确接收到的最后一个字节。tcphdr->doff TCP头长度，指明了在TCP头部包含多少个32位的字。此信息是必须的，因为options域的长度是可变的，所以整个TCP头部的长度也是变化的。从技术上讲，这个域实际上指明了数据部分在段内部的其起始地址(以32位字作为单位进行计量)，因为这个数值正好是按字为单位的TCP头部的��度，所以，二者的效果是等同的tcphdr->res1为保留位tcphdr->window 是16位滑动窗口的大小，单位为字节，起始于确认序列号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节数，其最大值是63353字节。 TCP中的流量控制是通过一个可变大小的滑动窗口来完成的。window域指定了从被确认的字节算起可以接收的多少个字节。window = 0也是合法的，这相当于说，到现在为止多达ack_seq-1个字节已经接收到了，但是接收方现在状态不佳，需要休息一下，等一会儿再继续接收更多的数据，谢谢。以后，接收方可以通过发送一个同样ack_seq但是window不为0的数据段，告诉发送方继续发送数据段。tcphdr->check 是检验和，覆盖了整个的TCP报文段，这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。tcphdr->urg_ptr 这个域被用来指示紧急数据在当前数据段中的位置，它是一个相对于当前序列号的字节偏移值。这个设施可以代替中断信息。fin, syn, rst, psh, ack, urg为6个标志位这6个位域已经保留了超过四分之一个世纪的时间而仍然原封未动，这样的事实正好也说明了TCP的设计者们考虑的是多么的周到。它们的含义如下： tcphdr->fin fin位被用于释放一个连接。它表示发送方已经没有数据要传输了。 tcphdr->syn 同步序号，用来发起一个连接。syn位被用于建立连接的过程。在连接请求中，syn=1; ack=0表示该数据段没有使用捎带的确认域。连接应答捎带了一个确认，所以有syn=1; ack=1。本质上，syn位被用来表示connection request和connection accepted，然而进一步用ack位来区分这两种情况。 tcphdr->rst 该为用于重置一个已经混乱的连接，之所以会混乱，可能是由于主机崩溃，或者其他的原因。该位也可以被用来拒绝一个无效的数据段，或者拒绝一个连接请求。一般而言，如果你得到的数据段设置了rst位，那说明你这一端有了问题。 tcphdr->psh 接收方在收到数据后应立即请求将数据递交给应用程序，而不是将它缓冲起来直到整个缓冲区接收满为止(这样做的目的可能是为了效率的原因) tcphdr->ack ack位被设置为1表示tcphdr->ack_seq是有效的。如果ack为0，则该数据段不包含确认信息，所以，tcphdr->ack_seq域应该被忽略。 tcphdr->urg 紧急指针有效 tcphdr->ece 用途暂时不明 tcphdr->cwr 用途暂时不明对于TCP协议，其IP头部的protocol的值应该为6，通过计算IP头部的长度可以得到TCP头部的地址，即TCP的头部在IP头部长度ihl*4之后。

4、用户数据报协议 UDP（UDP处于传输层）

UDP协议是建立在IP协议基础之上的，用在传输层的协议。UDP和IP协议一样是不可靠的数据报服务。0 16 32-------------------------------------------------------| UDP源端口 | UDP目的端口 |-------------------------------------------------------| UDP数据报长度 | UDP数据报校验 |-------------------------------------------------------| 数据 |-------------------------------------------------------UDP的头格式为：

struct udphdr{u_int16_t source; /*源地址端口*/u_int16_t dest; /*目的地址端口*/u_int16_t len; /*UDP长度*/u_int16_t check; /*UDP校验和*/};头文件：linux/udp.h

5、网际组管理协议IGMP（IGMP处于网络层协议）

报文格式:

作用:它是TCP/IP 协议族中负责IP 组播成员管理的协议,用来在IP 主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系功能:当一台主机加入到一个新的组时,它发送一个IGMP消息到组地址以宣告它的成员身份,多播路由器和交换机就可以从中学习到组的成员.利用从IGMP中获取到的信息,路由器和交换机在每个接口上维护一个多播组成员的列表两个阶段: 加入: 当主机加入新的多播组时,向多播组的多播地址发送IGMP 报文,声明自己要成为该组的成员.本地的多播路由器收到 IGMP 报文后,将组成员关系转发给因特网上的其他多播路由器询问: 周期性地探询本地局域网上的主机,以便知道这些主机是否还继续是组的成员注意: 因为组成员关系是动态的，因此本地多播路由器要只要对某个组有一个主机响应，那么多播路由器就认为这个组是活跃的但一个组在经过几次的探询后仍然没有一个主机响应，则不再将该组的成员关系转发给其他的多播路由器数据包:IGMP 使用 IP 数据报传递其报文（即 IGMP 报文加上 IP 首部构成 IP 数据报），但它也向 IP 提供服务具体措施: 在主机和多播路由器之间的所有通信都是使用 IP 多播多播路由器在探询组成员关系时，只需要对所有的组发送一个请求信息的询问报文，而不需要对每一个组发送一个询问报文。默认的询问速率是每 125 秒发送一次当同一个网络上连接有几个多播路由器时，它们能够迅速和有效地选择其中的一个来探询主机的成员关系在 IGMP 的询问报文中有一个数值 N，它指明一个最长响应时间（默认值为 10秒）。当收到询问时，主机在 0 到 N 之间随机选择发送响应所需经过的时延。对应于最小时延的响应最先发送同一个组内的每一个主机都要监听响应，只要有本组的其他主机先发送了响应，自己就可以不再发送响应了

6、地址解析协议 ARP （APR处于网络层协议）

说明:ARP 每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache),里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表作用:通过IP地址得知其物理地址步骤:

注意: 网络上其他主机并不响应 ARP 询问,只有接收端主机接收到这个帧时,才向发送端主机做出这样的回应 ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题.若所要找的主机和源主机不在同一个局域网上,那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址,然后把分组发送给这个路由器,让这个路由器把分组转发给下一个网络.剩下的工作就由下一个网络来做从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的,主机的用户对这种地址解析过程是不知道的. 主机或路由器要和本网络上另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信,ARP 协议会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址四种典型情况: 发送方是主机,要把 IP 数据报发送到本网络上的另一个主机.这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址发送方是主机要 IP 数据报发送到其他网络的主机.这时 ARP 找到本网络上某个路由器硬件地址.剩下工作由这个路由器完成发送方是路由器,要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机.这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址发送方是路由器,要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机.这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址.剩下的工作由这个路由器来完成报头格式:

说明: 硬件类型字段表示硬件地址的类型.它的值为1即表示以太网地址协议类型字段表示要映射的协议地址类型.它的值为 0x0800 即表示 IP 地址硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度,以字节为单位.对于以太网上 IP 地址的 ARP 请求或应答来说,它们的值分别为 6 和 4 操作字段指出四种操作类型,它们是 ARP 请求(值为1)、ARP 应答(值为 2 )、RARP 请求(值为 3 )和 RARP 应答(值为 4 ) 接下来的四个字段是发送端的硬件地址(在本例中是以太网地址)、发送端的协议地址( IP 地址)、目的端的硬件地址和目的端的协议地址.