网络协议 -- IP、ICMP、TCP、UDP字段解析

网络协议报文解析及工具使用介绍

1. 以太网帧格式及各字段作用

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|          Destination MAC Address (48 bits)                    |
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|           Source MAC Address (48 bits)                        |
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|        EtherType / Length (16 bits)                           |
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|                        Payload (可变长度)                        |
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|          Frame Check Sequence (FCS, 32 bits)                  |
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  • Destination MAC Address (48 bits)：目的设备的 MAC 地址。
  • Source MAC Address (48 bits)：源设备的 MAC 地址。
  • EtherType / Length (16 bits)：表示上层协议类型或帧的长度。IP 的 EtherType 为 0x0800。
  • Payload (可变长度)：封装的 IP 报文。
  • Frame Check Sequence (FCS) (32 bits)：用于校验帧的完整性。

2. IP 报文格式及各字段作用

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|Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
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|         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
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|  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
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|                       Source Address                          |
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|                    Destination Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
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  • Version (4 bits)：IP 协议版本。IPv4 的值为 4。
  • IHL (4 bits)：IP 头部长度，以 32-bit words 计。
  • Type of Service (8 bits)：服务类型字段，定义数据报的优先级和服务质量。
  • Total Length (16 bits)：IP 数据报的总长度，包括头部和数据部分。
  • Identification (16 bits)：唯一标识主机发送的每一份数据报，用于数据报的重组。
  • Flags (3 bits)：控制数据报的分片。
  • Fragment Offset (13 bits)：表示数据报分片在原数据报中的位置。
  • Time to Live (8 bits)：数据报在网络中的生存时间，每经过一个路由器该值减 1。
  • Protocol (8 bits)：表示数据报中数据部分的协议类型。ICMP 的值为 1。
  • Header Checksum (16 bits)：IP 头部校验和，用于检验头部的完整性。
  • Source Address (32 bits)：源 IP 地址。
  • Destination Address (32 bits)：目的 IP 地址。
  • Options (可变长度)：可选字段，用于支持额外的 IP 功能。
  • Padding (可变长度)：用于填充 IP 头部，使其长度为 32-bit 的整数倍。

3. ICMP 报文格式及各字段作用

ICMP Echo 请求报文格式（按位图形式）

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|     Type(8)   |     Code(0)   |          Checksum             |
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|           Identifier          |        Sequence Number        |
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|                             Data                              |
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  • Type (8 bits)：表示 ICMP 报文的类型。对于 Echo 请求报文，该值为 8。
  • Code (8 bits)：表示 ICMP 报文的子类型。对于 Echo 请求报文，该值为 0。
  • Checksum (16 bits)：用于校验报文的完整性。计算时需要包括整个 ICMP 报文。
  • Identifier (16 bits)：用于唯一标识 Echo 请求和 Echo 回复报文对。通常由发出请求的进程设置。
  • Sequence Number (16 bits)：用于标识每个 Echo 请求报文的序列号，通常从 0 开始递增。
  • Data (可变长度)：包含可选数据，通常是填充数据，长度由发送方指定。常用于测试目的。

ICMP Echo 回复报文格式（按位图形式）

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|     Type(0)   |     Code(0)   |          Checksum             |
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|           Identifier          |        Sequence Number        |
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|                             Data                              |
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  • Type (8 bits)：表示 ICMP 报文的类型。对于 Echo 回复报文，该值为 0。

4. TCP 报文头部格式及各字段作用

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|          Source Port          |       Destination Port        |
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|                        Sequence Number                        |
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|                    Acknowledgment Number                      |
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|  Data | Reser- |N|C|E|U|A|P|R|S|F|                             |
| Offset| ved   |S|W|C|R|C|S|S|Y|N|                             |
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|            Window             |         Checksum              |
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|         Urgent Pointer        |                               |
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|                     Options (if any)                          |
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|                             Data                              |
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  • Source Port (16 bits)：源端口号，表示发送方的端口。
  • Destination Port (16 bits)：目的端口号，表示接收方的端口。
  • Sequence Number (32 bits)：序列号，表示数据段在整个报文流中的位置。
  • Acknowledgment Number (32 bits)：确认号，表示期望接收的下一个序列号。该字段仅在 ACK 标志设置时有效。
  • Data Offset (4 bits)：数据偏移量，表示 TCP 头部的长度，以 32-bit words 计。
  • Reserved (6 bits)：保留位，必须为 0。
  • Flags (9 bits)：控制标志，包括：
    • NS (1 bit)：Nonce Sum，ECN 使用。
    • CWR (1 bit)：Congestion Window Reduced，拥塞控制。
    • ECE (1 bit)：ECN-Echo，显式拥塞通知。
    • URG (1 bit)：Urgent，表示 Urgent Pointer 字段有效。
    • ACK (1 bit)：Acknowledgment，表示确认号字段有效。
    • PSH (1 bit)：Push，表示接收方应立即交付数据。
    • RST (1 bit)：Reset，重置连接。
    • SYN (1 bit)：Synchronize，初始化连接。
    • FIN (1 bit)：Finish，表示发送方数据发送完毕。
  • Window (16 bits)：窗口大小，表示接收方的缓冲区大小，用于流量控制。
  • Checksum (16 bits)：校验和，用于检验报文的完整性。
  • Urgent Pointer (16 bits)：紧急指针，指向紧急数据的结束位置。仅在 URG 标志设置时有效。
  • Options (可变长度)：可选字段，用于支持额外功能，例如窗口缩放、时间戳等。
  • Data (可变长度)：实际传输的数据。

5. UDP 报文头部格式及各字段作用

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|          Source Port          |       Destination Port        |
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|            Length             |           Checksum            |
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|                             Data                              |
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  • Source Port (16 bits)：源端口号，表示发送方的端口。
  • Destination Port (16 bits)：目的端口号，表示接收方的端口。
  • Length (16 bits)：UDP 报文的总长度，包括头部和数据部分，以字节为单位。
  • Checksum (16 bits)：校验和，用于检验报文的完整性。某些情况下可以为 0。
  • Data (可变长度)：实际传输的数据。

6. 使用场景

TCP 使用场景

  • 网页浏览：HTTP/HTTPS 协议依赖 TCP 提供可靠的数据传输。
  • 文件传输：FTP 协议使用 TCP 进行文件传输，确保数据完整性。
  • 电子邮件：SMTP、IMAP 和 POP3 等邮件协议依赖 TCP 进行可靠的邮件传输。

UDP 使用场景

  • 实时通信：VoIP（如 Skype）和视频会议等应用需要快速传输数据，不要求数据可靠性。
  • 流媒体：在线视频和音频流媒体服务（如 Netflix、Spotify）使用 UDP 进行数据传输，允许一定程度的数据丢失。
  • 在线游戏：网络游戏通常使用 UDP 传输游戏状态。

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