第十六章网络通信协议探讨

第十六章网络通信协议探讨

LINUX的源代码中属于网络的就有近38万行；我必须先花时间彻底解决网络编程问题，再论其它；所以、其它题目暂停更新；或许这样、APO操作系统的改动就会少一些。Internet网络是一个公用网络，要知道林子大了、什么鸟都有；我们必须将安全放在第一。说实在、我仔细看了ipv6协议，给我的印象就是希望越大、失望就越大。总之，我认为ipv6是一个失败协议；本文就是我的观点和设想，当然以后还会修改、不可能一步到位。一个多星期的边学、边写、边思考；给我的感觉就是那么多的协议，都是一个头痛医头、脚痛医脚的方案。复杂、啰嗦、多余充斥我的脑海，如果我一个业余者都能看出那么多毛病，怎么都能成为标准？我是想不通。本文可能批判的地方较多，我也不好意思；但那毕竟是我的心声，是我内心的呐喊、与嘶叫，请理解。

对于网络设备、或称为节点，我们可以归纳为二大类：网络终端设备-主机，和网络中的设备-路由器（路由器、交换机等）。那么，协议应该有3种：主机之间，主机和路由器，路由器之间。好的协议应该是能保证用户通信安全，主机和路由器驱动程序简洁；和路由器高效、高速处理数据包的路径选择、和保证传输质量等。网络安全的首要问题就是杜绝地址假冒、杜绝用户数据包的被窃取。那么，我们必须对链路地址作认证、和注册。

一、网络安全

1、防止同一条链路下的以太网地址假冒

通常，表示主机的地址就是6字节的以太网地址（前3字节是厂家编码、后3字节是网卡序号）；那么IPV6的64位接口地址就显得多余、和浪费网络带宽了。连接一台用户主机，基本上都是二层交换机的一个端口，跟别的主机是隔离的；不再是以前挂在同一条线路上。当一台主机A想使用在同一条链路上的另一台主机B的以太网地址时，交换机发出警告、并给A一个错误报文。不同链路上的以太网地址是可以相同，但在同一条链路上的就不允许相同。6字节的地址分配可以到千万亿个以上，而通常是网卡决定的，不可能相同；相同的情形只会是用户故意修改造成。所以、假冒其它用户的以太网地址只能是影响自己。对于移动用户，可以随机生成以太网地址、或交换机分配。每一台主机打开时，都会向其所属交换机发宣告报文“hello”、包含有主机的以太网地址和主机名字，交换机返回其自身的IP地址、即链路地址、和交换机的以太网地址；并查询端口表，看是否需要刷新。连接几十个用户主机的交换机不一定就代表一个子网地址，一台用户主机也不一定就不是代表一个子网。在一个子网下，理论上可以有千万亿个以上的主机。不管如何，一个子网必定有一台做主管的带路由功能的交换机。我们称一个子网下的所有主机都在同一个网段上。同一个网段上的主机都是互为邻居，一个用户主机想查看其邻居；可以向其子网主管交换机提交申请报文；主管交换机将其管辖下、并在线的邻居信息返回报文；并不一定要通过广播来实行，也不需要什么路由器前缀公告。用户主机的以太网地址、和其所属的主管交换机的64位链路地址就构成了一个IP地址。用户主机想和另一个用户主机通信，那必须知道对方的IP地址才行。因为IP地址就包含了以太网地址，所以、我们不需要ARP协议。这样、我们的IP地址，似乎有很多个；这又能飞天？即使你的MAC地址在不断的做不冲突的变换，你的链路地址是变不了的，最后、还是能追查到。如果用户主机作为网站服务，是不能随意更改MAC地址的；那需DNS服务数据库也相应更改才行。有时候，我们只有用户域名的网站字符串地址；那需要向DNS域名服务器查询。DNS的IP地址通常是基本固定的、在安装网络时，就设置在你的主管交换机上了、或你设置在主机上。在你hello时，主管交换机的返回报文中就有DNS的IP地址。表面上，我们是用网站字符串地址访问网站，实际上、主机要先用存储在主机上的DNS的IP发报文给DNS查询到对应的网站IP之后、才能真正的访问相应网站。经常访问的网站IP地址，我们可以保存到一个临时文件；这样、以后就可先查临时文件中的数据，如果有相关网站IP，就不需要查询DNS了。

2、防止链路地址假冒

64位的链路地址包含：16位TLA世界级电信公共骨干网接入点，32位NLA下级聚合体、通常是大型ISP网络服务商，16位SLA节点级聚合体、子网地址。一些机构或小型ISP可以申请多个连续的子网地址、或1个NLA（包含64K个子网地址）来构造局域网络。所以、链路地址是通过申请、登记、注册才获得的，每个子网所在的地域位置、创建时间、负责人等信息都备案在上级NLA、或TLA数据库中。可能有人会说，我只要在发送数据包时，将源IP中的链路地址改变为自己设置的链路地址，那就可以起到假冒作用了。这是不行的、你的主管交换机都会在你的源IP中的链路地址打上正确的链路地址印记，并在链路地址最高字符写入你的连接交换机的端口号标记；以便上级更好的做本地交换。如果你是出到大网的，自然有更上级的交换机在出去时、打上正确的链路地址印记。即使你能搞掂SLA，还有上级NLA的监控维护服务器啊；你的SLA总有个连接到NAL的端口吧，一旦进入该端口时的数据包中的源链路地址范围不对，就给记录在案了。用户级交换机通常是链路层、用以太网地址做交换；但主管交换机再往上的、通常是3层交换机了，即是用链路地址做标记交换。就像一个金字塔，汇聚到最顶端的骨干网时，每个端口的数据包数目巨大，但通常都是许多数据包（可能数百万包）整合到一包、标记交换（如ATM等标记交换机）到另一端口。这时，MUT不可能是1518B了；或许是4GE = 128GB。对于网络，我是外行、新手；主要靠想象。所以，本文仅供参考；我会使用APO来设计、规划、模拟路由器，2层、3层、4层交换机，标记交换机，虚拟网络VLAN组服务器，网络编程等等。

安全、简洁是首要；可惜太多的资料要看了，速度会放慢。学院派啊，学院派；你们的脑袋也太复杂了，整出一大堆协议，有必要吗？那个IPV6啊，就只有源主机可以分段是改进得好外；没有发现什么比较先进的地方。链路地址汇聚、IP4就这样了；接口地址跟以太网地址重复、浪费啊。你说、简化了IPV4的协议字段数，但那个扩展头要复杂得多啊！一个就行了，一个MTU大小的包就含多个扩展头、那代码量太大了。那个指定路径路由器、或中间点路由器扩展头，随着网络设备的发展、除了浪费路由器资源，将是没屁用的功能；还不踢掉，失望。那个版本位段IPV4、IPV6有屁用，各协议组合时、地址有重复啊；浪费。ICMP协议应该是想办法将路由器、网关、主机之间的协议简化、合一啊，却越搞越复杂。只有你们晚上做梦时，可以自我欣赏吧；我是学得一肚子气。安全性，完全没考虑好、要从源头解决啊，搞个复杂的IPSEC有屁用、花拳绣腿。认证、加密无需搞进协议里的，多余。最为失望的是，你们都认识到以字节、或字分段；在64位CPU对数据包组装时、会搞死人的！搞成64位分段、你们除了吹嘘64位操作比8位的字节要快8倍外，有没有用你们的复杂脑袋想想啊？能否看长远些？能否不鼠目寸光！人类在发展啊，连我一个业余爱好者都在设计用256位的高速总线了，2GE/S = 64GB/S；将来、就是一次操作32字节、甚至64字节，难道、你的IPV6还能更改？设备也要丢掉？只要把分段改为64字节为单位，那都能兼容字节、32位、64位、128位、256位、512位；反之、不成立啊。学院派啊，我无语了。

3、数据包安全

如果要考虑防止ISP服务商、或一些监控软件对数据包的窃听；那么，只能对数据包内的数据进行加密了。可以使用公开的常用加密算法，也可以定义自己的加密算法、只要通信双方认可就行。

二、网络通信协议：

网络通信除了标准协议外，也应该能支持用户自定义的协议。路由器主要的任务就是转发数据包，还需实现网络控制消息协议（internet control message protocol）ICMP。不过、ICMP是IP层上的协议，如果不是使用IP包的、还需另外定义控制消息协议；那需要路由器认识才行。TYPE.15-11共5位协议类型，TYPE.15 = 1 是非IP协议：0X8137IPX协议、0X8035为RARP、Ethernet 802.2.LLC 、Ethernet802.2.LLC.SNAP、用户自定义协议、等等。

TYPE.15 = 0 是IP协议：

1、互联网控制报文协议ICMPAPO，

2、IPA/TCP, IPA为APO的IP协议，

3、IPA/UDP，

4、IPV4，

5、IPAICMP，ICMP的差错报文、应答报文协议，

6、IPV6，

7-15 其它、或用户自定义。

路由器、交换机通常只是处理第一项ICMPAPO，其它项是转发、除非目标地址是自己。如果数据报有错误时，会做第5项APOICMP的差错报文；如果是路由器组播地址、或目标是路由器地址，也会做第5项APOICMP的应答报文。

对于用户组播，我希望是全球型的、而非单纯是局域网VLAN。网上的关于组播资料（IPV4、或IPV6），或许我笨了些、真的看了半天、没有明白过来。我想：先不说112位的组播地址，就拿32位组播地址ID来说；假设一个小组可以有64K个用户，那32位就可有64K个小组。我们是不可能知道那一个用户主机、在什么时候加入了那n个小组的。要想实现对组播ID的转发，那用户主机的主管交换机就要建立最少一张表吧；假设主管交换机有1K个用户、那表大小是1K个记录项；每个记录项是用户MAC地址、端口号、组播ID1-IDn、上行端口号。嗯、全世界的小组数不止64K个，好、我们又换种方式：24位的组播标识地址、40位组地址ID、48位小组成员MAC地址。就算、每个小组成员最多能加入64K个小组，那组播ID1-IDn最少要安排64K个列字段啊、一个列字段40位，不算别的，我们就算32位、64K个列字段；那表大小也要64KW * 1K = 64MW = 256MB。路由器、交换机就是查表、识辨就要耗尽资源了，还能做转发？主管交换机的上一级需要的表更大，能实现吗？还是我没考虑到？还是学院派的虚妄？

我的设想是：用户组播功能从路由器、交换机中剔除，用户组播应该是应用层的事情，而路由器、交换机只是实现二层、三层、四层的数据包交换；主要用于转发。路由器、交换机的组播只是有限的组播，局限于周边；或局部节点、或本地节点、或子网节点。而用户组播功能是由某个服务器、或用户主机来实现；这种用户组播功能是相当灵活、强大的；表大小不受限、可以构建许多个组；易于实现权限，组成员管理；轻松构建全球性的VLAN。但组播服务器的带宽要高些，这需要在NLA、或TLA上建立组播服务器才合理。

1）、APO的IP数据包帧结构：头部占2E = 64B，包含MAC、IPA、TCP/UDP/ICMPA字段。

APO中，带连接的UDP协议和TCP的合一；所以，除了无连接的ICMP外，APO就只有一个TCP协议了。

BU64B EMAC{ // 最小长度2E = 18 + 46 = 64B，最大长度= 1526B

//IP数据包分段单位是2E一片，所以分段数据含头部最多23片、46E = 1472B。

//如果以一片为1E，则含头部最大47E = 1504B，分段数据最大45E = 1440B。

BU1E MACIP{ // 以太网和IP头部、1E（1行） = 32B；路由器处理入口。

BU48 MDA; // 以太网目标地址

BU48 MSA; // 以太网源地址

BU16 TYPE; // 类型和长度。

//TYPE.15 IPX; 1、0X8137 IPX等非IP协议；0、IP协议。

//TYPE.14-11 TYPEP; 协议类型标识。

//TYPE.10-0 LEN; 数据包字节长度。

BU8 TTL; // 跳数限制。

BU8 TOS; // 8位传输优先级、流量类型。

BU64 SLADD; // 源链路地址。SLADD + MSA = 源IP地址

BU64 DLADD; // 目标链路地址。DLADD + MDA = 目标IP地址

}

union{ // APO的TCP协议头、1E；支持4GB的文件流传输。

BU32 length; // 文件流总字节长度，不含头部64字节（2E）。

BU32 sheetoff;// 低26位片偏移、分段单位1片 = 64字节。

// sheetoff.31-26 request; 上层协议的请求方法标识。Read、write、GET、

// POST、PUT、DELETE、TRACE、CONNECT、PATCH、ABOR、ACCT等等。

BU8 trflag; // 传输控制标志。

// trflag.7 MF; 更多分段标志（more fragment），0、最后一个分段

// trflag.6 DF; 分段标志：1、不分段，0、可以分段

// trflag.5 MULTICAST; 组播标志，1、有效。

// trflag.4 SIGLL; 信令标志：1、信令报文段，0、正常的DATA报文段传输。

// trflag.3 RQ; 请求标志（SIGLL=1有效）：1、请求报文段，0、响应报文段。

// trflag.2 SIGI; 1、连接信令，0、应用层协议的信令。

// trflag.1-0 SIGC; 关于连接信令的标识，0、丢失的数据包信息，1-3备用。

BU24 flowlabel; // 24位流标签，标识不同的数据报。

BU8 conflag; // 连接控制标志。

// conflag.7 CWR; 用来表明它接收到了设置ECE标志的TCP包。

// conflag.6 ECE; 网络拥挤标志。

// conflag.5 URG; 1、紧急指针字段有效。

// conflag.4 ACK; 1、确认应答。

// conflag.3 PSR; 1、推送，不等组装、直接提交报文段到应用层。

// conflag.2 RST; 1、复位连接。

// conflag.1 SYN; 1、请求建立连接。

// conflag.0 FIN; 1、释放连接。

BU24 servesockfd; // 24位服务端的文件号。

BU16 SPORT; // 源端口

BU16 DPORT; // 目的端口

BU16 cheksum; // 校验和。

BU16 urgentp; // 紧急指针。

BU16 tranmode; // 高层协议的传输模式。

BU16 staterp; // 高层协议的状态响应码，或错误码。

BU32 usedata; // 用户自定义、或高层协议使用、或组播域定义。

}

union{ // APO的ICMPAPO协议头、1E，无连接。

BU8 imcptype; // 报文类型：宣告、邻居请求、探查。

BU8 segnum; // 路由交换机附带数据项印记指针（项数、每项16字节）。

BU16 devtype;// 源设备类型（主机，2-3-4层交换机等）、网络中的级数。

BU32 PTID; // 源设备的进程号（或端口号）、线程号（或标识）。

BU32 times; // 报文发送时的时间戳us。

BU16 MTU; // 源设备的MTU。

BU16 cheksum;// 校验和。

BU16B icmpdata; // 第0项的附带数据，后面接着是更多的附带数据。

}

APO的以太网包格式：14字节、4个字段；IP包格式：18字节、4个字段；数据包格式：最大1518字节。APO的TCP/UDP/ICMP：32字节、12字段。

2）、APO的网际信报控制协议（ICMP）

有2类ICMP报文，应答、差错报文IPAICMP总是起始于数据包的2E包头后面、而信令报文则被封装到类似UDP格式的ICMPAPO协议1E。从设备上分类则有：

1、主机、路由器的宣告、请求报文。

2、路由器、或主机到主机的应答、差错报文。

3、路由器间的协议报文（内部网关协议IGP（包括RIP、IGRP、OSPF、EIGRP、IS-IS等），外部网关协议BGP、也称为EGP）。没用、取消！

为何要分为2类ICMP报文？因为信令报文ICMPAPO是路由器必须检查、处理的，而应答、差错报文IPAICMP对于路由器来说、通常只是转发；而最终是由目的节点来处理。对于应答、差错报文，我们往往要保留TCP/UDP/ICMPAPO的头部、以便节点知道缘由、从而方便处理。

交换机都有路由功能，二层交换机的路由实现较为简单一些；三层交换机就能实现大部分的路由功能。二层交换机是以MAC地址作交换、而三层交换机是以链路地址作交换。交换机必须实现的基本功能有：1、包头长度检查（二层交换机不检查）。2、检查校验和。3、本节点的地址、设备编号、时间戳提交。4、跳数处理。5、出错时、发出差错ICMP报文。6、转发（二层是据MAC地址，三层是据链路地址）。7、对本节点的请求、应答处理。8、在一个子网内MTU最少要做到64KB。

到此、在APO网络中，将节点、路由器等广播地址全部去掉；只有用户层的组播功能，路由器、交换机不再处理广播数据报。要知道交换机、路由器是交换、转发数据报，不是广播机！不要连姓什么都忘了。

三、ICMPAPO协议

每一个子网必须有一台主管交换机，它保存有子网下的所有主机MAC、端口表。一个子网不要超过2K台主机，全球子网地址可达到16E+18；那么庞大的子网地址数量，没必要一个子网带太多的主机。用户开机时，会有一个主机宣告ICMPAPO报文发送；该报文只是到达主管交换机路径上的相关交换机会处理，并更新它们的MAC表；主管交换机还要做MAC地址是否重复的处理，重复则回发差错ICMP报文。泛洪广播会过多的浪费带宽、应彻底清除。邻居请求ICMPAPO报文，也只是主管交换机才会应答；而不是子网下的所有交换机都应答；避免重复的邻居信息，但需要用户主机到主管交换机间有2K*32B = 64KB的MTU。交换机、路由器也同样有一个宣告开机报文，和邻居信息请求报文；我们不能将它们封装在一起吗？探查ICMP报文是探查从源到目的的路径上所有路由器的IP地址、时间戳、MTU、跳数等信息。

我们的目标是简化路由器、交换机代码量，而非让他们执行许多垃圾协议。那个全网广播命令、只有白痴才会去实行。我们应该彻底清除掉所有广播地址，清扫掉这些扰乱市场的因素；还网络一个清净，网络只有点对点通信；用户组播实质还是用点对点通信在用户层完成的。

BU64B EMAC{ // ICMPAPO是节点必须检查、执行的协议。

BU1E MACIP; // MAC、IP头32字节。

union{// APO的ICMPAPO协议头、1E，无连接。

BU8 imcptype;// 报文类型：宣告、邻居请求、探查。

BU8 imcpcode;// 代码号。

BU16 devtype;// 源设备类型（主机，2-3-4层交换机等）、网络中的级数。

BU32 PTID; // 源设备的进程号（或端口号）、线程号（或标识）。

BU32 times; // 报文发送时的时间戳us。

BU16 MTU; //源设备的MTU。

BU16 cheksum;// 校验和。

BU16B icmpdata; // 用户自定义的数据。

}

1、链路地址汇聚三层交换机

图1，假设我是一个ISP网络服务商，获得了一个NLA下级聚合体地址，具有64K个的子网地址；三层交换机的上级端口2个、下级端口48个。我们先不考虑备用交换机，和非线性分割；那么A层（顶端、只需一台）交换机有47个下级端口、每个端口线性分割子网地址后，为包含1394个子网地址的子网集束；第48端口为余下的18个子网地址用于服务器。那么，B层的47个交换机的每个交换机的29个下级端口连接下级的C层交换机（每个C层端口包含48个子网地址集束），有2个端口是单子网地址、直接连接子网主管交换机；余下的17个端口用于B层交换机互连，以减少跳数。到达B层某个交换机j的数据包，如果目的地是B层的另一个交换机i、如有互联、那么一跳就行了，否则需经A层交换机做2跳。C层交换机的48个下级端口（每端口一个子网地址）就连接到子网主管交换机。用户主机要发数据包到ISP网络外，那么、需要经0-3级到达其子网主管交换机（用户主机0级、hub是1级、用户接入交换机是2级、主管交换机是3级）、再2-3级（C、B、A，或B、A）才能到达外网。

这样一来，三层交换机将是非常简洁，路由表最多48项；每一项记录是：端口号、子网集束（16位的子网开始地址、结束地址）。到达交换机的数据包，先查NLA地址、不同则往上级端口转发（如果从上级端口来的、则直接抛弃），相同、则用子网地址查路由表、没有符合项则往上级端口转发（如果从上级端口来的、则直接抛弃）；有符合项、则按照相应端口号往下级转发。骨干交换机也是类似的，不过是用更大的子网集束NLA地址来判断吧了。整个网络基本上就是2-4层交换机，网关内、外等协议全部简化成2对ICMP报文类型：宣告、应答，和邻居请求、应答。那些垃圾的、人为复杂的协议通通清掉。

2、二层交换机

就是用MAC地址来转发数据包，每个主管交换机只有一个子网地址，最多管理2K个用户主机。用户主机可能通过HUB端口才连接到上一级2层用户接入交换机，所以交换机的每个下级端口会有一张端口MAC表，每项是：设备类型级数、活动标志、MAC地址、活动定时器、主机名字（最多10字符）等。对于主管交换机最多2K项；24口交换机也就24项；48口交换机也就48项。对于一个子网，网内的通信需要更大的数据报（64KB）；64KB = 2KE，包头只占数据报的0.1%。用户主机发一个请求邻居报文，其主管交换机就返回一个大的数据包、包含了子网上所有活动邻居的信息；简单多了。对于路由交换机的情形略有不同。在三层交换机时、它的宣告，其上级路由交换机会返回一个链路地址前缀、和子网束报文；接着、它需要扫描下级端口，并为下级端口分配子网地址束；这也是属于一个强权型请求邻居报文；通常A层、B层是手工分配（几百万用户、只需手工分配50台交换机），C层是每个下级端口一个子网地址的自动分配。在二层交换机时、也类似，不过换成是MAC地址。对于交换机、宣告是上级端口的分配，请求是处理下级端口分配。对于用户主机、宣告是其所在用户交换机端口的刷新设置，请求只有邻居请求。

3、用户主机

用户主机可发出宣告（类型0）、邻居请求（类型1）、探查（类型2）、这3种报文，而交换机、路由器只是能发前2种。探查请求是由用户主机发出的报文，但路由器也需要在上面打上印记。这3种报文都对应有应答报文，它们在IPAICMP协议。

四、IPAICMP协议

BU64B EMAC{ // IPAICMP是目标节点必须检查、执行的协议。

BU2E MACIPTUI; // MAC、IP、TCP/UDP/ICMAPO头64字节。

BU1E IPAICMP{ // APO的IPAICMP协议头、1E，无连接。

BU8 imcptype;// 报文类型：宣告、邻居请求、探查的应答0-2。

//差错报文类型：3、目表不可到达，4、超时，5、源端抑制，6、参数问题。

BU8 imcpcode;// 代码号。

BU16 devtype;// 发报文节点设备类型、网络中的级数。

BU32 times; // 报文发送时的时间戳us。

BU16 MTU; //发报文节点的MTU。

BU16 segnum; // 附带数据项指针（项数）。

BU10Z jdname; // 发报文节点的设备名字（最多10个字符）。

}

主机宣告的应答：经过的交换机，做刷新端口、MAC表，并置端口为活动状态；之后、往上级交换机转发报文。主管交换机查是否MAC地址重复，是发参数问题差错报文；否、回发链路地址、填写IPAICMP报文头，刷新端口、MAC表，并置该MAC为活动状态等。

主机的邻居请求应答：经过的交换机，往上级交换机转发报文。主管交换机将网段内所有活动的MAC地址、设备类型和级数、MTU、设备名字、等每项1E，填写IPAICMP报文头、打包发往源主机。

主机探查的应答：经过的交换机，在IPAICMP协议头后，据segnum附带数据项指针、填写8字节的：节点设备类型和级数、MTU、时间戳，并使segnum+、之后转发；如果是目标节点、则改写协议类型ICMPAPO为IPAICMP后，并填写IPAICMP报文头、回发数据包。这样，返回路径的交换机不会再处理该报文、只是转发。

匆匆忙忙、写得我自己都不满意，没法、下章进入网络编程；以后再改。