汪中才 馬正軍

（河南工程技術(shù)學(xué)校 河南 454000）

0 引言

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，即傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）是不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連的通用協(xié)議，它是一組計(jì)算機(jī)通信協(xié)議族，其中最著名的兩個(gè)協(xié)議是TCP及IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議具有開放式互聯(lián)環(huán)境，很容易實(shí)現(xiàn)各種局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的集成式互聯(lián)。

1 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和工作原理

從體系結(jié)構(gòu)來看，TCP/IP是OSI/ISO（開放系統(tǒng)互連參考模型）七層結(jié)構(gòu)的簡化，可分為四層：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和物理鏈路層，其每一層都有特定的功能及協(xié)議機(jī)制，整個(gè)系統(tǒng)遵循低層向高層服務(wù)，對等實(shí)體間按照協(xié)議進(jìn)行通信的原則。

在TCP/IP層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)是自上而下、層層封裝，數(shù)據(jù)接收時(shí)是自下而上、層層解封裝。數(shù)據(jù)發(fā)送的過程為：①應(yīng)用程序把需要發(fā)送的報(bào)文或數(shù)據(jù)流發(fā)送至傳輸層協(xié)議TCP或UDP；②傳輸層協(xié)議把數(shù)據(jù)分解成更小的塊，添加一個(gè)目標(biāo)端IP地址封裝成TCP、UDP等報(bào)文段后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層；③網(wǎng)絡(luò)層在IP數(shù)據(jù)報(bào)中封裝該包，增加數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭和報(bào)尾后將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口層；④網(wǎng)絡(luò)接口層接受IP數(shù)據(jù)報(bào)并按幀方式（如Ethernet或Token Rings）通過特定網(wǎng)絡(luò)硬件傳輸，當(dāng)接收方主機(jī)接收到鏈路層幀后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程恰好相反，其路徑是從網(wǎng)絡(luò)物理層向上傳輸給應(yīng)用層，每層都去掉相應(yīng)的報(bào)頭信息一直到數(shù)據(jù)返回至應(yīng)用層。具體過程如下圖所示。

圖1 TCP /IP數(shù)據(jù)傳輸

2 Ethereal概述

Ethereal 是免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議檢測程序，可以用來監(jiān)視所有在網(wǎng)絡(luò)上被傳送的包，并分析其內(nèi)容的，支持Unix，Windows。用戶可以抓取運(yùn)行的網(wǎng)站的相關(guān)資訊，包括每一封包流向及其內(nèi)容、資訊可依操作系統(tǒng)語系看出，方便查看、監(jiān)控TCP session動態(tài)等等。它通常被用來檢查網(wǎng)絡(luò)工作情況，或是用來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)程序的bugs。目前ethereal提供了對TCP、UDP、Telnet和Ftp等常用協(xié)議的支持。它在很多情況下可以代替價(jià)格昂貴的sniffer。

3 利用Ethereal分析TCP /IP機(jī)制

3.1 抓取數(shù)據(jù)包

啟動Ethereal，選擇“Capture”，選擇網(wǎng)卡，執(zhí)行抓包。

圖2 Ethereal抓包界面

3.2 TCP數(shù)據(jù)包分析

選擇一個(gè)TCP的數(shù)據(jù)包分析，從圖2可以看出，該數(shù)據(jù)包封裝了三個(gè)頭信息：以太網(wǎng)（Ethernet）幀、IP數(shù)據(jù)報(bào)和 TCP報(bào)文段。下面我們分別對三種類型的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。

在物理鏈路層，數(shù)據(jù)以幀的方式進(jìn)行傳輸。以太網(wǎng)幀頭信息中。描述了該數(shù)據(jù)包的源MAC地址為00-03-0F-0F-4B-FF，目標(biāo)MAC為00-E0-4C-F4-DE-6B，在幀中封裝的協(xié)議類型type值為0x0800，即所封裝的是IP數(shù)據(jù)報(bào)。

與圖3所示的MAC幀格式相比較，分析各個(gè)字段的含義，加深對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的理解與認(rèn)識。

圖3 MAC幀格式

在網(wǎng)絡(luò)層，主要數(shù)據(jù)對象是IP數(shù)據(jù)報(bào)。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中的核心協(xié)議之一，所有的 TCP、UDP、ICMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。從以上請求數(shù)據(jù)包的IP首部可以看出，此IP數(shù)據(jù)報(bào)版本號（version）為4（即這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)為IPv4），首部（head length）為 20bytes，服務(wù)類型（services field）為 0x00，數(shù)據(jù)報(bào)總長（total length，即IP首部+數(shù)據(jù)載荷）為48，標(biāo)識（identification）為02aab，標(biāo)志（flags）為0x04表示報(bào)文不分段，段偏移（fragment offset）為0，生存時(shí)間（time to live）為128，數(shù)據(jù)報(bào)中上層協(xié)議類型protocol值為0x06（即本IP包中加載的內(nèi)容是一個(gè)TCP報(bào)文段），頭部校驗(yàn)和 0x9005表示正確，源主機(jī)的 IP地址為192.168.0.91，目的主機(jī)的IP地址為125.46.1.230。

然后再與圖4所示的IP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)相比較，分析各個(gè)字段的含義，加深對IP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的理解與認(rèn)識。

圖4 IP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

在運(yùn)輸層，主要數(shù)據(jù)對象是TCP報(bào)文。在以上的TCP報(bào)文段中，描述了請求方源端口號（source port）為 1114；目的端口號（destination port）為80，其中80是HTTP協(xié)議的保留端口號；序列寫SEQ是本次連接的初始序?qū)?，因此在連接請求時(shí)相對初始值是 0，其實(shí)際值是 092f18f5；頭部長度（header length）為 28bytes；標(biāo)志位（flags）為 0x0002，指示 ACK標(biāo)志為0，表明確認(rèn)寫被忽略，SY'N=1表示正在進(jìn)行連接請求，通過 SI'N和 ACK也可以用來區(qū)分 Connection Request和Connection Accepted，在連接請求中，SYN=1，ACK=0，連接響應(yīng)時(shí)，SYN=1，ACK=1；PSH為0；窗口字段（（window size）指示發(fā)送方想要接收的最大字節(jié)數(shù)為 16384；校驗(yàn)和（checksum）為0xf252表明正確；最后是8bytes的選項(xiàng)字段。

然后再與圖5所示的TCP協(xié)議段結(jié)構(gòu)相比較，分析各個(gè)字段的含義。

圖5 TCP協(xié)議段結(jié)構(gòu)

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)協(xié)議族，包含大小上百個(gè)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。使用Ethereal也可方便地對其它協(xié)議如UDP、ICMP、HTTP、ARP等進(jìn)行分析，具體的分析過程與TCP類似，這里不再贅述。

通過以上分析可以看到，在教學(xué)中，通過實(shí)時(shí)抓包分析，可以將TCP/IP協(xié)議的封裝、解封過程解釋得非常清晰，起到事半功倍的效果。

4 結(jié)束語

隨著Internet應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，TCP/IP協(xié)議的地位也變得越來越重要。借助Ethereal、Sniffer等分析工具，深入研究TCP/IP協(xié)議體系，無論是對于我們開展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)檢查維修，還是對于我們更好地開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)資源都具有深遠(yuǎn)的意義。

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