在局域网环境中捕获数据包并解析相关网络协议
零:说明
最近读了一下Richard Stevens的《TCP/IP详解》,想找一点东西实践一下,就把两台电脑用网线连起来,使用wireshark抓包。这篇文章是基于抓包的结果,对于这种只有两台主机直接相连的最简单的局域网环境中协议使用的介绍。本文只是对所用到的协议做了一个简单的介绍,如果对某个协议的细节,报文结构等方面有兴趣可以自行深入探究,对于部分协议本文也附带了一些参考资料的链接。
本文介绍的所有协议均基于IPv4,两台主机的OS均为Windows10
协议的排序基本按照抓包到的时间顺序
由于书上和网络上找到的资料差异,下文中混用多播和组播两个词,均表示IP传输中的Multicast方式
一:解析
1. LLDP
LLDP(Link Layer Discovery Protocol,链路层发现协议)顾名思义是一个基于链路层的协议。为了方便对在一个网络中具有不同特性的、来自不同厂商的设备进行管理,就需要使得不同厂商的设备能够在网络中相互发现并交互各自的系统及配置信息,也就是这个协议的用途。
LLDP的主要信息存放的区段称为LLDPPDU中,它又分为若干个不同的单元(称为TLV)。举几个比较常用的例子:
Chassis ID TLV。用于通告该LLDPDU发送者的chassis ID,可以有多种不同类型的标识方式。
Port ID TLV它用于标识发送该LLDPDU的设备的端口,与上一个类似。
Time To Live TLV。用于告诉接收端,它接收到的这些信息的有效期有多长。
由于该协议并不是局域网通信的重点,所以就不详细介绍了,放一张抓到的一个LLDP包,关于该协议更详细的介绍可以参见博客数据链路层学习之LLDP。
2. DHCP无状态地址自动配置
对于只用于一条链路的地址(链路本地地址),如本文的环境,一台主机只需要找到一个在链路上未使用的地址即可。因为在一台主机没有手动配置地址,并且网络上没有DHCP服务器的情况下,基于IP的通信是不可能发生的,除非主机使用某种方式生成IP地址。链路本地地址范围在169.254.1.1 - 169.254.254.254。从本质上说,无状态地址自动配置就是一台主机在地址范围内随机选择一个地址,然后通过IPv4的ACD(自动冲突检测)来检查该地址是否已经被使用。ACD使用ARP协议,发送一个被称为ARP探测分组的分组,其中发送方地址被设为0,可以用于查看一个候选的IPv4地址是否被广播域中的其他系统使用。
经过这一步,主机就具有了一个IP地址(本例中为169.254.46.160)。同时对端主机也在随后使用了相同方法获得一个地址(本例中为169.254.252.226)
(事实上这时候还抓到了DHCP Discover的数据包,但是由于没有DHCP服务器的存在,所以并不会有回应)
3. LLMNR
LLMNR(本地链路组播名称解析)在DNS服务器不可用时,DNS 客户端计算机可以使用本地链路组播名称解析,通过UDP发送到组播地址224.0.0.252:5355,来解析本地网段上的名称,使用的也是普通DNS的数据包格式。类似的另一种协议是mDNS(组播DNS),通过UDP协议发送到组播地址224.0.0.251:5353,用于家庭局域网等小型网络。
LLMNR为使用IPv4、IPv6或者同时使用这两种地址的设备提供了点对点名称解析服务,可以让同一子网中的IPv4和IPv6设备不需要WINS或DNS服务器就可以解析对方的名称。
例如,如果路由器出现故障,从网络上的所有 DNS 服务器切断了子网,则支持 LLMNR 的子网上的客户端可以继续在对等基础上解析名称,直到网络连接还原为止。除了在网络出现故障的情况下提供名称解析以外,LLMNR 在建立临时对等网络方面也非常有用。
不过在抓包的时候发现LLMNR的包均为query却没有相应,所以推测应该是没有起到效果。
4. IGMPv3
IGMP(Internet Group Management Protocol,互联网组管理协议)是TCP/IP 协议族中负责IP 组播成员管理的协议,用来在IP 主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。
在本例中,主机使用IGMP version3加入了如下组播组:
加入了224.0.0.251(252)组播组,这是LLMNR和mDNS所使用的组播地址。
加入了239.255.255.250组播组,这是SSDP(简单服务发现协议)所使用的组播地址,这是路由器的UPNP服务使用的协议。
关于报文格式以及组播相关的概念不是本文的重点,所以不在这里赘述,值得注意的是,主机在加入组播组的一段时间后会退出组播组,之后又加入,以下是抓到的IGMP报文。
5. SSDP
SSDP(简单服务发现协议)是应用层协议,是构成UPnP(通用即插即用)技术的核心协议之一。它为网络客户端(network client)提供了一种发现网络服务(network services)的机制,采用基于通知和发现路由的多播方式实现。
SSDP有两种不同的类型:发现请求和存在通知。在本例中用到的只有发现请求(Discovery request 或查询请求)。SSDP客户端向此地址发送HTTP UDP 发现请求,查询某种类型的服务。SSDP服务在此地址上监听服务发现请求。当服务监听到的HTTP UDP 发现请求和它自己提供的服务匹配时,它以单播方式发送HTTP UDP 响应。
实际过程中只有对端主机发送了这个数据包,不过没有收到响应,放一个相关的包作为参考吧。关于SSDP更详细的介绍可以见 SSDP 简单服务发现协议
6. NBNS
NBNS(网络基本输入/输出系统 (NetBIOS) 名称服务器)在基于 NetBIOS 名称访问的网络上提供主机名和地址映射方法。
NetBIOS是Network Basic Input/Output System的简称,一般指用于局域网通信的一套API,不支持路由,NetBIOS提供三种不同的服务: 名字服务:名字登记和解析;会话服务:可靠的基于连接的通信;数据包服务:不可靠的无连接通信 。在Windows下通过nbtstat -n
可以查询本地NetBIOS相关信息。
NBNS是动态DNS的一种,Microsoft的NBNS实现称为WINS(Windows Internet Name Service)。WINS数据库是动态更新的。计算机每当初始化TCP/IP后都会将它的NetBIOS名和IP地址的对应关系映射到WINS服务器的数据库中。如果在局域网络中抓取并观察数据包,会发现有大量的NBNS数据包。开启了WINS的主机就会发出广播,使用UDP协议,连137端口。
如果计算机需要知道一个NetBIOS名称或者域名对应的IP地址,首先会查找本地Hosts文件和NetBIOS缓存,其次会向WINS服务器发出请求,会发出NBNS数据包,最后会联系DNS服务器进行解析。
7. BROWSER
协议全称Microsoft-Windows-BrowserService,是一个应用层协议。关于这个协议似乎没找到什么资料,看上去应该是类似于DNS的一个服务,官方文档上的描述是这样的:
The Microsoft-Windows-BrowserService component maintains a list of all available domains and servers on a network.
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windows下进程间通信的(13种方法)-摘 要 本文讨论了进程间通信与应用程序间通信的含义及相应的实现技术,并对这些技术的原理、特性等进行了深入的分析和比较。 ---- 关键词 信号 管道 消息队列 共享存储段 信号灯 远程过程调用 Socket套接字 MQSeries 1 引言 ---- 进程间通信的主要目的是实现同一计算机系统内部的相互协作的进程之间的数据共享与信息交换,由于这些进程处于同一软件和硬件环境下,利用操作系统提供的的编程接口,用户可以方便地在程序中实现这种通信;应用程序间通信的主要目的是实现不同计算机系统中的相互协作的应用程序之间的数据共享与信息交换,由于应用程序分别运行在不同计算机系统中,它们之间要通过网络之间的协议才能实现数据共享与信息交换。进程间通信和应用程序间通信及相应的实现技术有许多相同之处,也各有自己的特色。即使是同一类型的通信也有多种的实现方法,以适应不同情况的需要。 ---- 为了充分认识和掌握这两种通信及相应的实现技术,本文将就以下几个方面对这两种通信进行深入的讨论:问题的由来、解决问题的策略和方法、每种方法的工作原理和实现、每种实现方法的特点和适用的范围等。 2 进程间的通信及其实现技术 ---- 用户提交给计算机的任务最终都是通过一个个的进程来完成的。在一组并发进程中的任何两个进程之间,如果都不存在公共变量,则称该组进程为不相交的。在不相交的进程组中,每个进程都独立于其它进程,它的运行环境与顺序程序一样,而且它的运行环境也不为别的进程所改变。运行的结果是确定的,不会发生与时间相关的错误。 ---- 但是,在实际中,并发进程的各个进程之间并不是完全互相独立的,它们之间往往存在着相互制约的关系。进程之间的相互制约关系表现为两种方式: ---- (1) 间接相互制约:共享CPU ---- (2) 直接相互制约:竞争和协作 ---- 竞争——进程对共享资源的竞争。为保证进程互斥地访问共享资源,各进程必须互斥地进入各自的临界段。 ---- 协作——进程之间交换数据。为完成一个共同任务而同时运行的一组进程称为同组进程,它们之间必须交换数据,以达到协作完成任务的目的,交换数据可以通知对方可以做某事或者委托对方做某事。 ---- 共享CPU问题由操作系统的进程调度来实现,进程间的竞争和协作由进程间的通信来完成。进程间的通信一般由操作系统提供编程接口,由程序员在程序中实现。UNIX在这个方面可以说最具特色,它提供了一整套进程间的数据共享与信息交换的处理方法——进程通信机制(IPC)。因此,我们就以UNIX为例来分析进程间通信的各种实现技术。 ---- 在UNIX中,文件(File)、信号(Signal)、无名管道(Unnamed Pipes)、有名管道(FIFOs)是传统IPC功能;新的IPC功能包括消息队列(Message queues)、共享存储段(Shared memory segment)和信号灯(Semapores)。 ---- (1) 信号 ---- 信号机制是UNIX为进程中断处理而设置的。它只是一组预定义的值,因此不能用于信息交换,仅用于进程中断控制。例如在发生浮点错、非法内存访问、执行无效指令、某些按键(如ctrl-c、del等)等都会产生一个信号,操作系统就会调用有关的系统调用或用户定义的处理过程来处理。 ---- 信号处理的系统调用是signal,调用形式是: ---- signal(signalno,action) ---- 其中,signalno是规定信号编号的值,action指明当特定的信号发生时所执行的动作。 ---- (2) 无名管道和有名管道 ---- 无名管道实际上是内存中的一个临时存储区,它由系统安全控制,并且独立于创建它的进程的内存区。管道对数据采用先进先出方式管理,并严格按顺序操作,例如不能对管道进行搜索,管道中的信息只能读一次。 ---- 无名管道只能用于两个相互协作的进程之间的通信,并且访问无名管道的进程必须有共同的祖先。 ---- 系统提供了许多标准管道库函数,如: pipe——打开一个可以读写的管道; close——关闭相应的管道; read——从管道中读取字符; write——向管道中写入字符; ---- 有名管道的操作和无名管道类似,不同的地方在于使用有名管道的进程不需要具有共同的祖先,其它进程,只要知道该管道的名字,就可以访问它。管道非常适合进程之间快速交换信息。 ---- (3) 消息队列(MQ) ---- 消息队列是内存中独立于生成它的进程的一段存储区,一旦创建消息队列,任何进程,只要具有正确的的访问权限,都可以访问消息队列,消息队列非常适合于在进程间交换短信息。 ---- 消息队列的每条消息由类型编号来分类,这样接收进程可以选择读取特定的消息类型——这一点与管道不同。消息队列在创建后将一直存在,直到使用msgctl系统调用或iqcrm -q命令删除它为止。 ---- 系统提供了许多有关创建、使用和管理消息队列的系统调用,如: ---- int msgget(key,flag)——创建一个具有flag权限的MQ及其相应的结构,并返回一个唯一的正整数msqid(MQ的标识符); ---- int msgsnd(msqid,msgp,msgsz,msgtyp,flag)——向队列中发送信息; ---- int msgrcv(msqid,cmd,buf)——从队列中接收信息; ---- int msgctl(msqid,cmd,buf)——对MQ的控制操作; ---- (4) 共享存储段(SM) ---- 共享存储段是主存的一部分,它由一个或多个独立的进程共享。各进程的数据段与共享存储段相关联,对每个进程来说,共享存储段有不同的虚拟地址。系统提供的有关SM的系统调用有: ---- int shmget(key,size,flag)——创建大小为size的SM段,其相应的数据结构名为key,并返回共享内存区的标识符shmid; ---- char shmat(shmid,address,flag)——将当前进程数据段的地址赋给shmget所返回的名为shmid的SM段; ---- int shmdr(address)——从进程地址空间删除SM段; ---- int shmctl (shmid,cmd,buf)——对SM的控制操作; ---- SM的大小只受主存限制,SM段的访问及进程间的信息交换可以通过同步读写来完成。同步通常由信号灯来实现。SM非常适合进程之间大量数据的共享。 ---- (5) 信号灯 ---- 在UNIX中,信号灯是一组进程共享的数据结构,当几个进程竞争同一资源时(文件、共享内存或消息队列等),它们的操作便由信号灯来同步,以防止互相干扰。 ---- 信号灯保证了某一时刻只有一个进程访问某一临界资源,所有请求该资源的其它进程都将被挂起,一旦该资源得到释放,系统才允许其它进程访问该资源。信号灯通常配对使用,以便实现资源的加锁和解锁。 ---- 进程间通信的实现技术的特点是:操作系统提供实现机制和编程接口,由用户在程序中实现,保证进程间可以进行快速的信息交换和大量数据的共享。但是,上述方式主要适合在同一台计算机系统内部的进程之间的通信。 3 应用程序间的通信及其实现技术 ---- 同进程之间的相互制约一样,不同的应用程序之间也存在竞争和协作的关系。UNIX操作系统也提供一些可用于应用程序之间实现数据共享与信息交换的编程接口,程序员可以通过自己编程来实现。如远程过程调用和基于TCP/IP协议的套接字(Socket)编程。但是,相对普通程序员来说,它们涉及的技术比较深,编程也比较复杂,实现起来困难较大。 ---- 于是,一种新的技术应运而生——通过将有关通信的细节完全掩盖在某个独立软件内部,即底层的通讯工作和相应的维护管理工作由该软件内部来实现,用户只需要将通信任务提交给该软件去完成,而不必理会它的具体工作过程——这就是所谓的中间件技术。 ---- 我们在这里分别讨论这三种常用的应用程序间通信的实现技术——远程过程调用、会话编程技术和MQSeries消息队列技术。其中远程过程调用和会话编程属于比较低级的方式,程序员参与的程度较深,而MQSeries消息队列则属于比较高级的方式,即中间件方式,程序员参与的程度较浅。 ---- 4.1 远程过程调用(RPC)