一些常见的协议详解

TCP/IP 协议族里面有众多的协议，分别分布在各个不同的层次上。现将跟 TCP 有关的部分协议详解如下：

ARP协议

ARP 协议处于 TCP/IP 协议族的最底层，即网络接口层。它的主要用途就是实现一台主机的 IP 地址到 MAC 地址的转换。

以太网 ARP 请求/应答报文的格式如下图所示：

• 硬件类型字段表示物理地址的类型，它的值为 1 表示 MAC 地址。
• 协议类型字段表示要映射的协议地址类型，它的值为 0x800，表示 IP 地址。
• 硬件地址长度和协议地址长度表明 MAC 地址或 IP 地址的长度，对 MAC 地址来说，它的值为 6，对 IP 地址来说，IPv4 长度为 4，IPv6 长度为 16。
• 操作字段指出 4 种操作类型：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）。
• 最后 4 个字段指定通信双方的以太网地址和 IP 地址。

ARP 协议的工作过程如下：

• 发送端填充除目的端以太网地址之外的其他所有字段，构建一个 ARP 请求报文并发送。
• 发送主机所处的网络上的所有主机均可收到该报文，但只有 IP 地址和报文中「目的端 IP 地址」相同的那台主机才响应该报文，其他主机均忽略。
• 目的主机将自己的 MAC 地址填充到该报文中的目的端以太网地址上，然后交换两个目的端地址和两个发送端地址，将操作字段的值更改为 2，构建 ARP 应答报文并发送。
• 发送主机收到该 ARP 应答报文，从中取出对端的 MAC 地址即可。

DNS 协议

我们平常访问网站时都是直接输入域名的，而因特网上的主机都是通过 IP 地址来标示的。所以就需要 DNS 协议来实现域名到 IP 地址的转换工作。

DNS 是一套分布式的域名解析系统。工作原理如下：

• 客户程序拿到域名后，通过系统调用 gethostbyname() 来向 DNS 服务器请求该域名对应的 IP 地址。
• DNS 服务器通过某种方式查询到 IP 地址后，将其返回给客户程序即可。

需要声明的是，DNS 底层采用的是 UDP 协议。

DNS 服务器的查询有两个方式：迭代和递归。

迭代方式就是当该 DNS 服务器上没有该域名对应的 IP 地址时，DNS 服务器就返回给客户程序另一台 DNS 服务器的地址，告诉客户程序到这台 DNS 服务器上去查询。

递归方式就是当该 DNS 服务器上没有该域名对应的 IP 地址时，DNS 服务器自身去另一台 DNS 服务器上去查询，查到之后再返回给客户程序。

IP 协议

IP 协议处于网络层，几乎所有上层协议都会使用到 IP 协议。

IP协议的报文格式如下：

解释如下：

• 版本号指定 IP 协议的版本，长度为 4bit。对于 IPv4 来说，其值为 4。
• 头部长度该 IP 头部包括选项在内共有多少个 4 字节。
• 服务类型包括一个 3 位的优先权字段（现已被弃用），4 位的 TOS 字段和 1 位保留字段（必须置0）。4 位 TOS 字段分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。
• 总长度表示整个 IP 数据报的长度，以字节为单位。
• 标示字段唯一的标示主机发送的每一个 IP 数据报，初始值有系统随机生成。
• 标志的第一位保留，第二位表示「禁止分片」。如果设置了这个位，系统不对 IP 报文分片。在这种请求下，如果 IP 数据报的长度超过 MTU（Max Transfer Unit，最大传输单元），IP 模块将丢弃该数据报并返回一个 ICMP 差错报文。第三位表示「更多分片」，如果为 1，表示后续还有该 IP 报文的分片。
• 分片偏移是分片相对原始 IP 数据报开始处的偏移，在接收端组合分片时，根据这个字段决定各分片的先后顺序。
• 生存时间是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。
• 协议字段用来区分上层的协议，其中 ICMP 是 1，TCP 是6，UDP是 17。更多可查看 /etc/protocols 文件。
• 头部校验和由发送端填充，接收端使用 CRC 循环冗余校验算法检查 IP 数据报是否损坏。
• 接下来两个字段源端 IP 和目的端 IP 表示发送端和接收端的 IP 地址。
• 选项部分长度最大为 40 字节，因为头部长度字段最大可表示 15，也就是说 IP 数据报的报头最大可以有 60 字节。而前面这些已经占了 20 字节。故选项部分只能有 40 字节。

IP分片

当要发送的数据大于 MTU 的时候，通常需要进行 IP 分片，将数据分成多个 IP 数据报发送。MTU 一般为 1500 字节。

由上文可知，在 3 位的标志字段中，如果允许分片，则相同的 16 位的标识字段标识这些分片属于同一个数据块，片偏移标识这些分片的先后顺序。

【完】