I. TCP/IP and Protocols

Felix Lin

Computer Network

Agenda

• Warm Up• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

希望我大學畢業就學會的事• 思考• 問對問題• 國際觀• 吸收新知 (Ex: TED)• 學習模式

那些年我們一起睡的計概

OSI Model DOD Model

Application Layer

Presentation Layer

Session Layer

Transport Layer

Network Layer

Data Link Layer

Physical Layer

Application Layer

Transport Layer

Internet Layer

Network Access Layer

那些年我們一起睡的計概

OSI Model TCP/IP over Ethernet

Application Layer

Presentation Layer

Session Layer

Transport Layer

Network Layer

Data Link Layer

Physical Layer

HTTP, SMTP, FTP, Telnet, …

Type of Data, Encrypt/Decrypt

Ports

TCP/UDP

IP

MAC, LLC, …

Cable, Cat5e, …

Mapping

Ethernet Frame Format

PreambleDestination

MAC Address

Type DATA FCS

Length 8 6 6 2 46-1500 4Source MAC

Address

目標 MAC AddressEx:

00:09:2D:AA:BB:CC,

28-D2-44-16-3C-6F

MAC Address又稱硬體位址 (H/W Address)

或實體位址 (Physical Address)6 Byte ID

OUI(3) + NIC Specific(3)OUI List

來源 MAC AddressEx:

00:09:2D:AA:BB:CC,

28-D2-44-16-3C-6F

Ethernet TypeEtherType

資料類型Ex: 0x0800 = IPv4

0x8100 = VLAN

Ethernet Frame Format

PreambleDestination

MAC Address

Type DATA FCS

Length 8 6 6 2 46-1500 4Source MAC

Address

MAC Address又稱硬體位址 (H/W Address)

或實體位址 (Physical Address)6 Byte ID

OUI(3) + NIC Specific(3)OUI List

資料內容，依據Type 不同而影響內

容。長度不定

Frame Check Sequence使用 CRC32

(Cyclic redundancy check 32bit)

循環冗餘校驗

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

Internet Protocol

• 網際網路協議• 將資料切割後封裝為 IP 訊框格式傳送• 非連接性 (Connectionless)• 不可靠性 (Unreliable)• 主要仍以 IPv4 為主流， IPv6 仍在建置• IPv4 RFC791; IPv6 RFC2460

Reversed Address ListRange Description Reference

0.0.0.0/8Current network (only valid as source address)

RFC 5735

10.0.0.0/8172.16.0.0/12192.168.0.0/16

Private network RFC 1918

100.64.0.0/10 Shared Address Space RFC 6598

127.0.0.0/8 Loopback RFC 5735

169.254.0.0/16 Link-local RFC 3927

192.0.0.0/24 IETF Protocol Assignments RFC 5735

224.0.0.0/4 IP multicast RFC 5771

255.255.255.255 Broadcast RFC 919

IPv4 Frame Format

Version IHL ToS/DSCP Total Length

Identification Flags Fragment Offset(13)

Time To Live Protocol Header Checksum

Source IP Address

Destination IP Address

Data

8 16 24 32

0

4

8

12

16

20……

IPv4 Frame Format

Version IHL ToS/DSCP Total Length

4 8 16 32

IP 版本通常為 0x4 (IPv4)

Internet Header Length 表頭長度

通常為 0x1A (20 Byte)

Type of Service / DiffServ Code

Point用以區分封包遞送的

優先權

IP 封包總長度( 不含 Ether

Header)

TOS

0 1 2 3 4 5 6 7

Precedence Type of Service

DSCP

0 1 2 3 4 5 6 7

DS field ECN field

IPv4 Frame Format

Identification Flags Fragment Offset(13)

16 19 32

封包 ID可做為判斷封包先後

順序與重組的依據

旗標Bit0: always 0Bit1: DF(dont

Fragment)Bit2:MF(more Fragment)

封包切割位移一般情況為 0

當大封包被切割後將會被標上序列號碼

IPv4 Frame Format 8 16 32

TTL 存活時間每經過一個 HOP 則減一，為 0 時則丟棄

此封包

協定 (wiki)0x01 ICMP0x02 IGMP0x06 TCP0x11 UDP0x59 OSPF

…

Checksum 16

Time To Live Protocol Header Checksum

IPv4 Frame Format 32

目標 IP 位置Ex: 192.168.1.254

0xC0 0xA8 0x01 0xFE

Source IP Address

Destination IP Address

來源 IP 位置Ex: 192.168.1.9

0xC0 0xA8 0x01 0x09

Routing Schemes

• Unicast• Broadcast• Multicast

IP Segment

• 不須經過路由器或是網關即可到達• 子網域遮罩 (Subnet Mask) 相同• Network ID 相同• Host ID 不同• IP AND Subnet Mask 必相同• IP OR Subnet Mask 必不同

藍老師有交代…何謂相同 Segment?

判定以下是否為同一網段A. 192.168.1.9/24 & 192.168.1.254/24B. 10.20.124.96/8 & 10.30.124.96/8C. 192.168.1.2/23 & 192.168.2.7/23D. 192.168.1.129/25 & 192.168.1.200/25E. 192.168.1.1/30 & 192.168.1.3/30F. 10.20.65.40/18 & 10.20.64.50/18G. 10.193.17.23/10 & 10.254.11.33/10H. 192.168.1.9/24 & 192.168.1.254/25

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

ARP/RARP

• Address Resolution Protocol– 位址解析協定– 由 ( 他人 ) IP 位址反查硬體位址 (MAC Address)– RFC826

• Reverse Address Resolution Protocol– 反向位址解析協定– 由 ( 自己 ) 硬體位址 (MAC Address) 查詢 IP 位址– RFC903

ARP/RARP Frame Format

Hardware Type Protocol Type

PLEN Operation

Sender H/W Address (0~3)

Sender H/W Address (4~5)

Sender IP Address (2~3)

8 16 24 32

0

4

8

12

16

20

24

HLEN

Sender IP Address (0~1)

Target H/W Address (0~1)

Target H/W Address (2~5)

Target IP Address (0~3)

ARP/RARP Frame Format

Hardware Type Protocol Type

PLEN Operation

Sender H/W Address (0~3)

Sender H/W Address (4~5)

Sender IP Address (2~3)

8 16 24 32

0

4

8

12

16

20

24

HLEN

Sender IP Address (0~1)

Target H/W Address (0~1)

Target H/W Address (2~5)

Target IP Address (0~3)

硬體類型通常為 0x1 (Ethernet)

協定類型通常為 0x0800

(IP)

Hardware Length硬體位址長度

通常為 0x6 (MAC)

Protocol Length協定位址長度

通常為 0x4 (IP)

運作模式0x1 ARP Request

0x2 ARP Reply0x3 RARP Request

0x4 RARP Reply

ARP/RARP Frame Format

Hardware Type Protocol Type

PLEN Operation

Sender H/W Address (0~3)

Sender H/W Address (4~5)

Sender IP Address (2~3)

8 16 24 32

0

4

8

12

16

20

24

HLEN

Sender IP Address (0~1)

Target H/W Address (0~1)

Target H/W Address (2~5)

Target IP Address (0~3)

發送端硬體位址(MAC Address) 發送端 IP 位址

目標硬體位址未知為 0x00

目標 IP 位址

ARP Table

• IP – MAC 對應表• 可分為動態與靜態• 靜態通常自路由表 (Routing Table) 取得• 封包傳遞過程中會將來源的 MAC address 自動

加入 ARP Table ( 動態 ) ，作為 cache• 一段時間過後 (default 10min) 沒用到的 MAC

Address 將自動從 ARP Table 移除• Command– Windows: arp– Linux: arp

ARP Command

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

ICMP

• Internet Control Message Protocol• 網路控制訊息協定• 錯誤偵測與回報機制– 偵測遠端主機是否存在。 – 建立及維護路由資料。 – 重導資料傳送路徑。 – 資料流量控制。

• Over IP• RFC792

ICMP Frame Format

Code Checksum

Identifier

8 16 24 32

Type

Sequence Number

Optional Data

ICMP 類別訊息代碼 Checksum 16

0

4

8

List of Type and Code

Type Code Description0 - Echo Reply 0 echo 響應 ( 被程序 ping使用 )

3 - 目的地不可到達

0 目標網路不可達1 目標主機不可達2 目標協議不可達3 目標埠不可達

4 - Source Quench 0 Source quench (congestion control)

8 - Echo Request 0 Echo 請求13 - Timestamp 0 時間戳14 - Timestamp Reply 0 時間戳響應30 - Traceroute 0 信息請求

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

TCP

• Transmission Control Protocol• 傳輸控制協定• 連接性 (connection)• 可靠性 (reliable)• 三向交握 (three-way handshake)• 封包可為非連續• Over IP TCP/IP• RFC793

TCP Frame Format

Destination Port

Data Offset

Control Flags (9) Window Size

Checksum 16

Options

4 8 16 32

0

4

8

12

16

20……

Source Port

Sequence Number

Acknowledgment Number

Reserved

Urgent Point

Control Flags

• Finish this session – 結束封包• Sync sequence number – 連線建立封包• Reset connection – 連線重置封包• Push function – 此封包須立即傳送• Acknowledgement – 回應封包• Urgent – 緊急封包• ECN(Explicit Congestion Notification, 明確擁塞通知 )

Echo – RFC3168• CWR(Congestion Window Reduced) – RFC3168• NS(ECN-nonce concealment protection) – RFC3540

NS

CWR

ECE

URG

ACK

PSH

RST

SYN

FIN

List of TCP Port

Port Description20 FTP data transfer

21 FTP control

22 SSH (Secure Shell)

23 Telnet

25 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)

53 DNS (Domain Name System)

67 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Server

68 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Client

80 HTTP (Hypertext Transfer Protocol)

110 POP3 (Post Office Protocol v3)

3389 Microsoft Terminal Server(RDP) wiki

Three-way Handshake

Client

ServerSYN,

Sequence=x

SYN+ACK, sequence=y,

Acknowledgment=x+1

ACK, sequence=x+1, Acknowledgment=y+1

Session Timeline

Status DescriptionStatus Description

CLOSED 連線未開啟LISTEN Server 端開啟連線，等待 SYN

SYN-SENT 已傳送 SYN ，等待 ACK

SYN-RCVD 已傳送 SYN+ACK ，等待 ACK

ESTABLISHED 已建立連線，進行資料傳輸。FIN-WAIT-1 已傳送第一個 FIN ，等待 ACK

FIN-WAIT-2 已接收第一個 FIN ，等待 ACK

CLOSE-WAIT 已接收第一個 FIN 且回傳 ACK ，等待應用程式關閉。TIME-WAIT 已接收第二個 FIN 且回傳 ACK ，等待 2MSL 時間到。LAST-ACK 已傳送第二個 ACK ，等待 ACK 。CLOSING 雙方同時關閉。

Status Transition Diagram

Netstat

Sliding Window

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

6 7

6 7

1 2 3 4 5 6 7

8

8

8

1 2 3 4 5 6 7 8

Send 3 Packets

Send 2 Packets

Receive 2 ACKs

Send 2 Packets,Receive 2 ACKs

Sliding Window(Cont.)

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

6 7

6 7

1 2 3 4 5 6 7

8

8

8

1 2 3 4 5 6 7 8

Send 3 Packets

Send 2 PacketsReceive 2 ACKs

Send 2 PacketsReceive 2 ACKsSend 2 Packets,Receive 1 ACKs

9

9

9

9

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

UDP

• User Datagram Protocol• 用戶數據包協定• 非連接性 (connectionless)• 不可靠性 (unreliable)• 封包必須為連續• 通常用於具時效性封包 (stream, trap)• 易於通過 NAT• RFC768

UDP Frame Format

Destination Port

Checksum 16

16 32

0

4

Source Port

Length

List of UDP Port

Port Description

53 Domain Name System (DNS)

67 Dynamic Host Configuration Protocol DHCP (Server)

68 Dynamic Host Configuration Protocol DHCP (Client)

69 Trivial File Transfer Protocol (TFTP)

123 Network Time Protocol (NTP)

161 Simple Network Management Protocol (SNMP)

162 Simple Network Management Protocol Trap (SNMP Trap)

514 Syslog

520 Routing Information Protocol (RIP) wiki

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols • RFCs

Debug Tools

• Ping• Traceroute• Wireshark/sniffer

Ping(Windows)

Ping(Unix/Linux)

Trace Route (Windows)

Trace Route (Unix/Linux)

Wireshark

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols• RFCs

Protocols

• DHCP• DNS• HTTP• FTP/TFTP• TELNET/SSH

DHCP

• Dynamic Host Configuration Protocol• 動態主機設定協定• 管理與分配區域網路內裝置的 IP• 具有網管之區域網路皆使用 DHCP• 由 BOOTP(Bootstrap Protocol) 轉變而來• RFC2131

DHCP Frame Format

HLEN

CHADDR (Client Hardware Address)

8 16 24 32

0

4

8

12

16

20

24…48

OP

XID

CIADDR (Client IP Address)

HTYPE HOPS

YIADDR (Your IP Address)

GIADDR (Gateway IP Address)

CHADDR (Client Hardware Address) …

…

options

DHCP Sessions

Client

ServerDHCP DISCOVER

DHCP OFFER

DHCP REQUEST

DHCP ACK

DNS

• Domain Name Server• 網域名稱系統• TCP port 80• 主要用以紀錄名稱與 IP 位址的對應• DNS Server 若失效將造成網路無法外連• RFC1034

HTTP

• Hypertext Transfer Protocol• 超文字傳輸協議• TCP port 80• HTTP/1.1

– OPTIONS, HEAD, GET, POST, PUT, DELETE, TRACE, CONNECT

• Status Code – 1xx Message, 2xx Success, 3xx Redirection, 4xx Request Error, 5xx Server Error– 200 OK– 400 Bed Request– 401 Unauthorized– 404 Not Found– 502 Bad Gateway

FTP/TFTP

• File Transfer Protocol/Trivial File Transfer Protocol

• 文件傳輸協議 /小型文件傳輸協議• 提供檔案傳輸、共享• TCP port 21,20/UDP port 69• 可靠性、非加密• RFC 959/2347

TELNET/SSH

• 虛擬裝端機連線• 文字導向互動式操作介面 , CLI• Terminal/Console/BBS• TCP Port 23/22• Telnet 未加密 /SSH 有加密• RFC 139, 854, 2941, … / 4250, 4251,

…

Agenda

• OSI model• IP• ARP/RARP• ICMP• TCP • UDP• Debug Tools• Protocols• RFCs

RFC

• Request For Comments (徵求意見書 )• 由 IETF(Internet Engineering Task

Force) 組織發行• 成為標準前的草案• 以序列數字編號，如 RFC791, RFC1213• Open and free

Reference

• TCP/IP Protocol Suite, 3/e, Behrouz Forouzan, 全華 (*)• TCP/IP 最佳入門實用書 , 蕭文龍 , 碁峯 (*)• TCP/IP Illustrated, Vol. 1, Vol. 2, Vol.3 W. Richard

Stevens• 區域網路與高速網路 , 黃能富 , 維科 (*)• 最新網路概論 , 施銘威研究室 , 旗標• Study area -

http://www.study-area.org/network/networkfr1.htm• 鳥哥 - http://linux.vbird.org/• Wiki - http://

en.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol• RFC - http://www.faqs.org/rfcs/