网络通信协议之 IP、UDP

2016 年 8 月 19 日

女主宣言

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。

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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，它位于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：

终端作为客户端，使用如下代码，UDP客户端代码：

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：

字节即 byte ，比特即 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

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

下图标识的是 IP协议所使用的版本，0100表示的是4即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

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

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

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 1 3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。