IP、UDP初探

作者: QiShare | 来源:发表于2019-01-17 18:11 被阅读8次

    级别:★★☆☆☆
    标签:「IP首部」「UDP首部」「UDP」
    作者: WYW
    审校: QiShare团队


    笔者最近了解了一下Python相关的内容,发现网络编程部分非常容易能够创建一个UDP本地服务器,正好可以用来分析一下UDP的请求和响应。在本篇文章中,笔者将给大家介绍下IP、UDP的部分内容。

    OSI、IP、UDP 简介

    聊到网络协议,我们常常会想到OSI(Open System Interconnection 开放式系统互联)七层模型、TCP/IP协议簇,她位于OSI、TCP/IP协议簇哪一层等问题。

    如下图OSI七层模型及对应的TCP/IP协议簇所示。

    • UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)位于OSI中的第四层(传输层)。位于TCP/IP协议簇中的第四层(TCP or UDP)。
    • IP(Internet Protocol 网络协议)OSI中的第三层(网络层),位于TCP/IP协议簇中的第三层(IP)。

    下图 是OSI七层模型及对应的TCP/IP 协议簇


    OSI TCP/IP Family

    User Datagram Protocol (UDP)

    UDP is also a transport-layer protocol and is an alternative to TCP. It provides an unreliable datagram connection between applications. Data is transmitted link by link; there is no end-to-end connection. The service provides no guarantees. Data can be lost or duplicated, and datagrams can arrive out of order.

    UDP也是传输层协议,是TCP的替代方案。 它在应用程序之间提供不可靠的数据报连接。 数据通过链接传输; 没有端到端的连接。 (这里我的理解是不需要建立连接)该服务不保证可靠传输。 数据可能丢失或重复,数据报可能无序到达。

    Internet Protocol (IP)

    In terms of the OSI model, IP is a network-layer protocol. It provides a datagram service between applications, supporting both TCP and UDP.

    在OSI模型的中,IP是网络层协议。 它在应用程序之间提供数据报服务,支持TCP和UDP。

    IP数据包首部及UDP首部

    IP数据包首部格式 UDP数据包首部格式

    创建本地UDP服务器、客户端

    笔者在前文提到了要用Python创建一个本地UDP服务器,并且分析UDP的请求及响应过程。这里笔者使用的是PythonIDE、Mac自带的终端简单创建了一个本地UDP服务端和客户端;

    请求响应过程为:
    -> 启动服务端
    -> 启动客户端和服务端建立连接
    -> 客户端向服务端发送数据'A'
    -> 服务端收到数据向客户端发送'ABCD'。
    -> 使用Wireshark对整个请求响应过程进行数据分析。

    所用的Python代码如下:

    • Python IDE作为服务端使用如下代码,UDP服务端代码:
    Python 3.7.1 (v3.7.1:260ec2c36a, Oct 20 2018, 03:13:28) 
    [Clang 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin
    Type "help", "copyright", "credits" or "license()" for more information.
    >>> from socketserver import BaseRequestHandler, UDPServer
    >>> class handleRequest(BaseRequestHandler):
        def handle(self):
            print('Got connection from', self.client_address)
            msg, sock = self.request
            print('RequestMessage:',msg)
            resp = 'ABCD'
            print('Response:',resp)
            sock.sendto(resp.encode('ascii'), self.client_address)
    
            
    >>> if __name__ == '__main__':
        serv = UDPServer(('', 20000), handleRequest)
        serv.serve_forever()
    
    
    • 终端作为客户端,使用如下代码,UDP客户端代码:
    from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM
    s = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
    s.sendto('A', ('localhost', 20000))
    

    示意图如下:

    UDP Server Client

    抓包并进行分析

    笔者结合着IP和UDP的首部示意图,及Wireshark的请求及响应进行了如下分析:

    在分析数据传输过程之前,笔者先对下边会用到的名词及工具做个简单说明:

    • 字节byte比特bit,1个字节(byte)=8个比特(bit)。

    • ASCII码:是基于拉丁字母的一套电脑编码系统,主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统。ASCII码对照表

    • 举个例子'A'的ASCII码为0x41
      基本的16进制、2进制、10进制之间的转换
      -> 16进制0x41
      -> 对应2进制为 0100 0001
      -> 对应10进制为4 * 16 + 1 = 65 在线进制转换

    • 下图是请求的示意图,可见数据部分是0x41表示的是十进制的65,即'A'的ASCII码。

      请求
    • 下图是响应的示意图,可见数据部分是0x41424344表示的是十进制的65 66 67 68,即'ABCD'的ASCII码。

      响应
    Snip20181218_5.png
    • 下图标识的是IP协议所使用的版本,0100表示的是4即IPv4
      IPv4
    IPv4
    • 下图标识的是IP的首部长度,0101表示十进制5,不过这里我们看到Header Length 为20字节,原因是,Head Length的单位是4字节。(即5 * 4 字节 = 20 字节)。首部长度的最大值为1111即15,首部长度的最大值为15 * 4字节 = 60字节
      IP首部长度
    IP首部长度
    • 服务类型部分,优先级标志位和服务类型标志位,被路由器用来进行流量的优先排序。笔者目前不清楚用意,暂不做解释说明。

    • 下图为Total Length(总长度)显示为001d,16进制的d为13,即13 + 16 = 29。指IP首部和数据报中数据之后的长度,单位为字节。总长度为16位,因此数据报的最大长度为216 - 1 = 65535字节。

    Total Length Total Length
    • 下图为标识符,一个唯一的标识数字,用来识别一个数据报或者被分片数据包的次序。目前笔者对此并不了解,暂不做解释。
      标识符
    标识符
    • 下图为标记和分段偏移

      标记分段偏移
    • 标记:用来标识一个数据报是否是一组分片数据包的一部分。

      • Flags:0x0000
        • 其中Reserved bit 为0 占用1比特
        • DF(Don’t Fragment)为0,占用1比特;代表不分片;
        • MF(More Fragemnt)为0,占用1比特,MF为0,如果在分片的情况下,代表这是若干分片中的最后一个;
        • 分片偏移为0,占用 13比特;0 0000 0000 0000
    • 分段偏移:一个数据包是一个分片,这个域中的值就会被用来将数据报以正确顺序重新组装。目前笔者对此并不了解,暂不做解释。

    • 下图为Time to live (存活时间),用来定义数据报的生存周期,以经过路由器的条数/秒数 进行秒数。目前笔者对此并不了解,暂不做解释。占用8个比特,16进制0x40即十进制64。

    Time to live Time to live
    • 下图为协议,用来识别在数据包序列中上层协议数据类型。占用8个比特,16进制0x11即十进制17。代表UDP。
      协议
    协议
    • 下图为首部校验和,一个错误检测机制,用来确定IP首部的内容有没有被损坏或者篡改。占用16个比特
      首部校验和
    首部校验和
    • 下图为源IP地址,即发出数据报的主机的IP地址。占用32个比特。16进制的0x7f代表的127,0x7f00 0001 表示127.0.0.1
    源IP地址 源IP地址
    • 下图为目的IP地址,数据报目的地的IP地址。占用32个比特。16进制的0x7f代表的127,0x7f00 0001 表示127.0.0.1。
    目的IP地址 目的IP地址

    上述内容就是IP的数据报首部的相关分析,下边笔者将给大家介绍下UDP的首部的相关内容:

    • 如下图UDP的首部所示,UDP的首部占用 64比特,即8个字节
    UDP的首部 UDP的首部
    • 下图表示UDP的源端口,占用16比特。16进制为0x f432即为十进制的62514
    UDP的源端口 UDP的源端口
    • 下图表示UDP的目标端口,占用16比特。16进制为0x 4e20即为十进制的20000
      UDP的目标端口
    UDP的目标端口
    • 下图表示UDP数据报的字节长度,表示数据报的字节长度。长度占用UDP首部16比特。16进制为0x 0009即为十进制的9(因为UDP首部长度占8个字节,加上传输了一个数据'A'占用1个字节,共9字节)。
    UDP数据报的字节长度 UDP数据报的字节长度
    • 下图表示UDP数据报的校验和,用来确保UDP首部和数据到达时的完整性。校验和占用UDP首部16比特,16进制为0x fe1c。目前笔者对这个值并不了解,暂不做解释。
    UDP数据报的校验和 UDP数据报的校验和
    • 最后,传输的数据,包含被UDP封装进去的数据,包含应用层协议头部和用户发出的数据,我们传输的'A',如下图,显示为16进制的0x41即十进制的65。
      传输的数据

    参考内容:


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