linux网络编程之TCP/IP基础

（一）：TCP/IP协议栈与数据包封装

一、ISO/OSI参考模型

OSI（open system interconnection）开放系统互联模型是由ISO（International Organization for Standardization）国际标准化组织定义的网络分层模型，共七层，如下图。





物理层(Physical Layer)：物理层定义了所有电子及物理设备的规范，为上层的传输提供了一个物理介质，本层中数据传输的单位为比特（bit）。属于本层定义的规范有EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等，实际使用中的设备如网卡等属于本层。

数据链路层（Data Link Layer）：对物理层收到的比特流进行数据成帧。提供可靠的数据传输服务，实现无差错数据传输。在数据

链路层中数据的单位为帧（frame）:属于本层定义的规范有SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等，实际使用中的设备如switch交换机属于本层。

网络层（Network Layer）：网络层负责将各个子网之间的数据进行路由选择，分组与重组。本层中数据传输的单位为数据包（packet）。属于本层定义的规范有IP、IPX、RIP、OSPF、ICMP、IGMP等。实际使用中的设备如路由器属于本层。

传输层（Transport Layer）：提供可靠的数据传输服务，它检测路由器丢弃的包，然后产生一个重传请求，能够将乱序收到的数据包重新排序。在传输层数据的传输单位是段（segment）。

会话层（Session Layer）：管理主机之间会话过程，包括会话建立、终止和会话过程中的管理。

表示层（Presentation Layer）：表示层对网络传输的数据进行变换，使得多个主机之间传送的信息能够互相理解，包括数据的压缩、加密、格式转换等。

应用层（Application Layer）：应用层与应用程序界面沟通，以达至展示给用户的目的。 在此常见的协定有: HTTP，HTTPS，FTP，TELNET，SSH，SMTP，POP3等

二、TCP/IP协议四层模型

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。如下图所示，如果没有特别说明，一般引用的图都出自《TCP/IP详解》。



两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：





传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供，应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。

应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示：





不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）。

数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。

上图对应两台计算机在同一网段中的情况，如果两台计算机在不同的网段中，那么数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器，如下图所示：





其实在链路层之下还有物理层，指的是电信号的传递方式，比如现在以太网通用的网线（双绞线）、早期以太网采用的的同轴电缆（现在主要用于有线电视）、光纤等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）是工作在物理层的网络设备，用于双绞线的连接和信号中继（将已衰减的信号再次放大使之传得更远）。

链路层有以太网、令牌环网等标准，链路层负责网卡设备的驱动、帧同步（就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、冲突检测（如果检测到冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备，可以在不同的链路层网络之间转发数据帧（比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间），由于不同链路层的帧格式不同，交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。

网络层的IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识，Internet上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包，数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包，因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失，可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。

网络层负责点到点（point-to-point）的传输（这里的“点”指主机或路由器），而传输层负责端到端（end-to-end）的传输（这里的“端”指源主机和目的主机）。

传输层可选择TCP或UDP协议。
TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。
UDP协议不面向连接，也不保证可靠性，有点像寄信，写好信放到邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失，也不能保证信件是按顺序寄到目的地的。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。

目的主机收到数据包后，如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢？整个过程如下图所示：





以太网驱动程序首先根据以太网首部中的“上层协议”字段确定该数据帧的有效载荷（payload，指除去协议首部之外实际传输的数据）是IP、ARP还是RARP协议的数据报，然后交给相应的协议处理。假如是IP数据报，IP协议再根据IP首部中的“上层协议”字段确定该数据报的有效载荷是TCP、UDP、ICMP还是IGMP，然后交给相应的协议处理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP协议再根据TCP首部或UDP首部的“端口号”字段确定应该将应用层数据交给哪个用户进程。IP地址是标识网络中不同主机的地址，而端口号就是同一台主机上标识不同进程的地址，IP地址和端口号合起来标识网络中唯一的进程。

注意，虽然IP、ARP和RARP数据报都需要以太网驱动程序来封装成帧，但是从功能上划分，ARP和RARP属于链路层，IP属于网络层。虽然ICMP、IGMP、TCP、UDP的数据都需要IP协议来封装成数据报，但是从功能上划分，ICMP、IGMP与IP同属于网络层，TCP和UDP属于传输层。

（二）：利用ARP和ICMP协议解释ping命令

一、MTU

以太网和IEEE 802.3对数据帧的长度都有限制，其最大值分别是1500和1492字节，将这个限制称作最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit）

如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就要进行分片（Fragmentation），把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。

当网络上的两台主机互相进行通信时，两台主机之间要经过多个网络，每个网络的链路层可能有不同的MTU，其中两台通信主机路径中的最小MTU被称作路径MTU，Internet上标准MTU为576B。

二、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。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。

三、ARP（address resolution protocol）

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10.0.0.1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。如下图所示:



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。





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。

地址解析协议的处理流程如下图：



四、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）

跟ARP相反的协议，主要用于获取无盘工作站的ip地址，如下图所示，不再赘述。



五、ICMP（Internet Control Message Protocol）

ICMP协议用于传递差错信息、时间、回显、网络信息等控制数据，如下图所示。



ICMP报文是封装在IP数据报文中进行传输的，如下图所示。







具体的类型和代码见下图。









六、利用ARP和ICMP协议解释ping程序

先看下面的流程图，再来解释。





步骤a：应用程序ping会判断发送的是主机名还是IP地址，如果是主机名会调用函数gethostbyname()解析主机B，将主机名转换成一个32位的IP地址。这个过程叫做DNS域名解析。
步骤b：ping程序向目的IP地址发送一个ICMP的ECHO包
步骤c：将目标主机的IP地址转换为48位硬件地址，在局域网内发送ARP请求广播，查找主机B的硬件地址。
步骤d：主机B的ARP协议层接收到主机A的ARP请求后，将本机的硬件地址填充到应答包，发送ARP应答到主机A。
步骤e：发送ICMP数据包到主机B。
步骤f：主机B接收到主机A的ICMP包，发送响应包。
步骤g：主机A接收到主机B的ICMP包响应包。

（三）：IP数据报格式和IP地址路由

一、IP数据报格式

IP数据报格式如下：





版本
IP协议版本号，长度为4位，IPv4此字段值为4，IPv6此字段值为6

首部长度
以32位的字为单位，该字段长度为4位，最小值为5，即不带任何选项的IP首部20个字节；最大值为15，所以首部长度最大为60个字节

服务类型（TOS）
长度为8位。此字段包含3位的优先权（现已忽略），4位的服务类型子字段和1位的保留位（必须置0）。4位的服务类型分别为最小延迟（D）、最大吞吐量（T）、最高可靠性（R）、最小费用（F），如下图。





总长度
该字段长度为16位，以字节为单位，该字段长度包含IP的头部和数据部分(payload)。IP数据报最大可达65535个字节。

标识
16位标识，用来标识一个IP数据报，每发送一个此值会加1，可用于分片和重新组装成数据包。

标志与片偏移
3位标志其中第一位不使用， 每二位DF（Don’t Fragment），该位如果为1，如果传输的数据报超过最大传输单元，该数据报会被丢弃，并发送一个ICMP差错报文。第三位MF（More Fragment）表示是否有更多的片，该位为1，说明后续有分片。最后一片MF为0。
IP包分片后每一个数据报都具有自己的首部，但是片偏移值不同，通过片偏移值接收端可以重新组装IP包。

TTL
TTL（Time To Live）表示数据报最多可经过的路由器的数量。数据报每经过一个路由器，TTL减1，减为0时丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。TTL可以避免数据报在路由器之间不断循环。

协议类型
表示IP层上承载的是哪个高级协议。在封装与分用的过程中，协议栈知道该交给哪个层的协议处理。1 ICMP 2 IGMP 6 TCP 17UDP

头部校验和
保证数据报头部的数据完整性，但校验不包括数据部分。这样做的目的有二：一是所有将数据封装在IP数据包中的高层协议均含有覆盖整个数据的校验和，因此IP数据报没有必要再对其所承载的数据部分进行校验。二是每经过一个路由器，IP数据报的头部要发生改变（如TTL），而数据部分不变，这样只对发生改变的头部进行校验，显然不会浪费太多的时间。为了减少计算时间，一般不用CRC校验码，而是采用更简单的网际校验和（Internet Checksum）。

源IP地址
发送数据的主机IP地址

目的IP地址
接收数据的主机IP地址

选项与填充（选项为4字节整数倍，否则用0填充）
安全和处理限制
路径记录：记录所经历路由器的IP地址
时间戳：记录所经历路由器的IP地址和时间
宽松源站路由：指定数据报文必须经历的IP地址，可以经过没有指定的IP地址。
严格的源站路由：指定数据报文必须经历的IP地址，不能经过没有指定的IP地址。

二、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。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：









这台主机只有一个网络接口连到192.168.232.0/24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192.168.232.1，跟第三行的子网掩码做与运算得到192.168.232.0，正是第三行的目的网络地址，因此从eth0接口发送出去，由于192.168.232.0/24正是与eth0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，跟后两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192.168.232.2 路由器，再让路由器根据它的路由表决定下一跳地址。

路由的处理过程如下，ARP部分可以参考这里：





（四）：TCP连接的建立和断开、滑动窗口

一、TCP段格式：

TCP的段格式如下图所示





源端口号与目的端口号
源端口号和目的端口号，加上IP首部的源IP地址和目的IP地址唯一确定一个TCP连接。

序号
序号表示在这个报文段中的第一个数据字节序号。

确认号
仅当ACK标志为1时有效。确认号表示期望收到的下一个字节的序号。

头部长度
4位，TCP头部最多60个字节，最少20个字节

保留位
6位，必须为0

6个标志位
URG－紧急指针有效
ACK－确认序号有效
PSH－接收方应尽快将这个报文段交给应用层
RST－连接重置
SYN－同步序号用来发起一个连接
FIN－表示将要终止一个连接

窗口大小
通过窗口大小来达到流量控制。

校验和
对tcp表头与数据进行校验。

紧急指针
是一个正的偏移量，与序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据（也称为带外数据）的一种方式。

选项与填充（选项为4字节整数倍，否则用0填充）
最常见的可选字段是最长报文大小MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段(payload)。该选项如果不设置，默认为536（20+20+536=576字节的IP数据报），其中ip首部和tcp首部各20个字节，而internet 上标准的MTU （最小）为576B。

二、通讯时序（3次握手-->传输数据-->4次挥手）

下图是一次TCP通讯的时序图：



在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。双方发送的段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0), ACK 1001, <mss 1024>，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001，带有一个mss选项值为1024。

建立连接的过程：
1. 客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。
2. 服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。
3. 客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。

在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为'''三方握手（three-way-handshake）'''。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

　　在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的telnet程序收到RST段后报告错误Connection timeout：



数据传输的过程：
1. 客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。
2. 服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。
3. 客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

这个例子只描述了最简单的一问一答的情景，实际的TCP数据传输过程可以收发很多数据段，虽然典型的情景是客户端主动请求服务器被动应答，但也不是必须如此，事实上TCP协议为应用层提供了全双工（full-duplex）的服务，双方都可以主动甚至同时给对方发送数据。

如果通讯过程只能采用一问一答的方式，收和发两个方向不能同时传输，在同一时间只允许一个方向的数据传输，则称为'''半双工（half-duplex）'''，假设某种面向连接的协议是半双工的，则只需要一套序号就够了，不需要通讯双方各自维护一套序号。

关闭连接的过程：
1. 客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。
2. 服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。
3. 服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。
4. 客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况(调用shutdown而不是close)，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

三、滑动窗口和流量控制

如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会丢失数据。TCP协议通过'''滑动窗口（SlidingWindow）'''机制解决这一问题。看下图的通讯过程。





1.发送端发起连接，声明最大段尺寸是1460，初始序号是0，窗口大小是4K，表示“我的接收缓冲区还有4K字节空闲，你发的数据不要超过4K”。接收端应答连接请求，声明最大段尺寸是1024，初始序号是8000，窗口大小是6K。发送端应答，三方握手结束。
2. 发送端发出段4-9，每个段带1K的数据，发送端根据窗口大小知道接收端的缓冲区满了，因此停止发送数据。
3. 接收端的应用程序提走2K数据，接收缓冲区又有了2K空闲，接收端发出段10，在应答已收到6K数据的同时声明窗口大小为2K。
4. 接收端的应用程序又提走2K数据，接收缓冲区有4K空闲，接收端发出段11，重新声明窗口大小为4K。
5. 发送端发出段12-13，每个段带2K数据，段13同时还包含FIN位。
6. 接收端应答接收到的2K数据（6145-8192），再加上FIN位占一个序号8193，因此应答序号是8194，接收端同时声明窗口大小为2K。
7. 接收端的应用程序提走2K数据，接收端重新声明窗口大小为4K。
8. 接收端的应用程序提走剩下的2K数据，接收缓冲区全空，接收端重新声明窗口大小为6K。
9. 接收端的应用程序在提走全部数据后，决定关闭连接，发出段17包含FIN位，发送端应答，连接完全关闭。

上图在接收端用小方块表示1K数据，实心的小方块表示已接收到的数据，虚线框表示接收缓冲区，因此套在虚线框中的空心小方块表示窗口大小，从图中可以看出，随着应用程序提走数据，虚线框是向右滑动的，因此称为滑动窗口。

从这个例子还可以看出，发送端是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），在底层通讯中这些数据可能被拆成很多数据包来发送，但是一个数据包有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。

四、TCP如何保证可靠性

1、应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，称为段传递给IP层。
2、当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
3、当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。
4、TCP将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段并且不确认（导致对方超时重传）
5、TCP承载于IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。TCP将对收到的数据进行重新排序。
6、IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
7、TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有一定大小的缓冲空间。

（五）：分析一帧基于UDP的TFTP协议帧

下图是UDP的段格式：





相比TCP段格式，UDP要简单得多，也没啥好说的，需要注意的是UDP数据长度指payload加上首部的长度。

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+4字节可知整个帧长度是101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 0001（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

就我个人而言，学习tcp/ip时最容易迷糊的就是那些数据大小，头部大小什么的，现在来总结一下，也许大家会清晰一点：

耐心地数一下，可知道tftp的纯数据供55字节（udp payload），加上udp头部8字节，就是63字节，也就是前面说的UDP 头部字段记录的UDP数据长度，再加上ip头部20字节，也就是83字节，即前面说的ip头部记录的ip包大小，即udp payload + udp头部 可以当作ip 层的payload，ip层payload + ip头部 = 83字节，加上以太网头部14字节，尾部校验4字节，总共101字节，即完整的一帧数据帧。

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，可以查阅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。

UDP协议不面向连接，也不保证传输的可靠性，例如：
1、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。
2、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。
3、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。

来源： csdn 作者：Simba888888