TCP/IP报文头部结构

Posted 2020-11-07

IP协议

IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。
优点：简单，高效。

IPv4首部一般是20字节长。在以太网帧中，IPv4包首部紧跟着以太网帧首部，同时以太网帧首部中的协议类型值设置为0800
无状态：IP通信双方不同步传输数据的状态信息，所有的IP数据报的传输都是独立的。所以容易发生重复和乱序的情况并且IP层不予处理。 然后将这些乱序的交给上层传输层（TCP/UDP等）来处理，将其处理成有序的，正确的。再交给应用层。
不可靠：IP协议不能保证IP数据报准确到达。所以它提供ICMP报文来辅助，一旦检测到IP数据报发送失败，通知上层协议。

版本号（Version）： IP协议的版本号。有IPv4和IPv6，现在主流是IPv4。
IP包头长度（Header Length）：IP包头的长度IP包头最小长度为20字节，最大60字节。
服务类型（Type of Service）包含一个4位优先权字段：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。
IP包总长（Total Length）：以字节为单位计算的IP包的长度 (包括头部和数据)，所以IP包最大长度65535字节，但由于MTU限制，一般无法到达这个值。
标识符（Identifier）：唯一的标识数据报。该字段和Flag和Fragment Offest字段联合使用，对大的上层数据包进行分段（fragment）操作。
标记（Flag）：当一个包过大被分片时，用来标识属于同一个包的片段。该字段第一位不使用。第二位是DF位，DF位设为1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位是MF位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为0,其余IP包的包头中将MF设为1。
Bit 0: reserved, must be zero
Bit 1: (DF) 0 = May Fragment, 1 = Don‘t Fragment.
Bit 2: (MF) 0 = Last Fragment, 1 = More Fragments.
分段序号（Fragment Offset）：分片相对原始IP数据报开始处的偏移。由于IP包在网络上传送的时候不一定能按顺序到达，这个字段保证了目标路由器在接受到IP包之后能够还原分段的上层数据包。到某个包含分段的上层数据包的IP包在传送是丢失，则整个一系列包含分段的上层数据包的IP包都会被要求重传。
生存时间（Time to Live）：当IP包进行传送时，先会对该字段赋予某个特定的值。当IP包经过每一个沿途的路由器的时候，每个沿途的路由器会将IP包的TTL值减少1。如果TTL减少为0，则该IP包会被丢弃。这个字段可以防止由于故障而导致IP包在网络中不停被转发。
协议（Protocol）：长度8比特。标识了上层所使用的协议。用来区分上层协议（ICMP为1，TCP为6，UDP为17）。
头部校验（Header Checksum）：由于IP包头是变长的，仅以CRC算法检验数据报头部在传输过程中是否损坏。
源IP地址（Source IP Addresses）：标识了这个IP包的源IP地址。
目的IP地址（Destination IP Address）：标识了这个IP包的目的IP地址。
可选项（Options）：记录路由，告诉途径得所有路由把IP填进来。可用的IP选项包括：
记录路由（record route），告诉数据报途经的所有路由器都将自己的IP地址填入IP头部的选项部分，这样我们就可以跟踪数据报的传递路径。
时间戳（timestamp），告诉每个路由器都将数据报被转发的时间（或时间与IP地址对）填入IP头部的选项部分，这样就可以测量途经路由之间数据报传输的时间。
松散源路由选择（loose source routing），指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须经过其中所有的路由器。
严格源路由选择（strict source routing），和松散源路由选择类似，不过数据报只能经过被指定的路由器。
填充（Padding）：因为IP包头长度（Header Length）部分的单位为32bit，所以IP包头的长度必须为32bit的整数倍。因此，在可选项后面，IP协议会填充若干个0，以达到32bit的整数倍

TCP协议

TCP（TransmissionControl Protocol）传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议（UDP）是同一层内另一个重要的传输协议。
TCP连接包括三个状态：连接创建、数据传送和连接终止。

源目端口号：计算机上的进程要和其他进程通信是要通过计算机端口的，而一个计算机端口某个时刻只能被一个进程占用，所以通过指定源端口和目标端口，就可以知道是哪两个进程需要通信。TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
序列号：表示本报文段所发送数据的第一个字节的编号。在TCP连接中所传送的字节流的每一个字节都会按顺序编号。
确认号：表示接收方期望收到发送方下一个报文段的第一个字节数据的编号。也就是告诉发送发：我希望你（指发送方）下次发送的数据的第一个字节数据的编号是这个确认号。也就是告诉发送方：我希望你（指发送方）下次发送给我的TCP报文段的序列号字段的值是这个确认号。
TCP首部长度：由于TCP首部包含一个长度可变的选项部分，所以需要这么一个值来指定这个TCP报文段到底有多长。或者可以这么理解：就是表示TCP报文段中数据部分在整个TCP报文段中的位置。该字段的单位是32位字，即：4个字节。
URG：表示本报文段中发送的数据是否包含紧急数据。URG=1，表示有紧急数据。后面的紧急指针字段只有当URG=1时才有效。
ACK：表示是否前面的确认号字段是否有效。ACK=1，表示有效。只有当ACK=1时，前面的确认号字段才有效。TCP规定，连接建立后，ACK必须为1。
PSH：告诉对方收到该报文段后是否应该立即把数据推送给上层。如果为1，则表示对方应当立即把数据提交给上层，而不是缓存起来。
RST：只有当RST=1时才有用。如果你收到一个RST=1的报文，说明你与主机的连接出现了严重错误（如主机崩溃），必须释放连接，然后再重新建立连接。或者说明你上次发送给主机的数据有问题，主机拒绝响应。
SYN：在建立连接时使用，用来同步序号。当SYN=1，ACK=0时，表示这是一个请求建立连接的报文段；当SYN=1，ACK=1时，表示对方同意建立连接。SYN=1，说明这是一个请求建立连接或同意建立连接的报文。只有在前两次握手中SYN才置为1。
FIN：标记数据是否发送完毕。如果FIN=1，就相当于告诉对方：“我的数据已经发送完毕，你可以释放连接了”
窗口大小：表示现在运行对方发送的数据量。也就是告诉对方，从本报文段的确认号开始允许对方发送的数据量。
校验和：提供额外的可靠性。具体如何校验，参考其他资料。
紧急指针：标记紧急数据在数据字段中的位置。
选项部分：其最大长度可根据TCP首部长度进行推算。TCP首部长度用4位表示，那么选项部分最长为：(2^4-1)*4-20=40字节。
选项部分的应用：
1. MSS最大报文段长度(Maxium Segment Size)：指明数据字段的最大长度，数据字段的长度加上TCP首部的长度才等于整个TCP报文段的长度。MSS值指示自己期望对方发送TCP报文段时那个数据字段的长度。通信双方可以有不同的MSS值。如果未填写，默认采用536字节。MSS只出现在SYN报文中。即：MSS出现在SYN=1的报文段中。
2. 窗口扩大选项(Windows Scaling)：由于TCP首部的窗口大小字段长度是16位，所以其表示的最大数是65535。但是随着时延和带宽比较大的通信产生（如卫星通信），需要更大的窗口来满足性能和吞吐率，所以产生了这个窗口扩大选项。
3. SACK选择确认项(Selective Acknowledgements)：用来确保只重传缺少的报文段，而不是重传所有报文段。比如主机A发送报文段1、2、3，而主机B仅收到报文段1、3。那么此时就需要使用SACK选项来告诉发送方只发送丢失的数据。那么又如何指明丢失了哪些报文段呢？使用SACK需要两个功能字节。一个表示要使用SACK选项，另一个指明这个选项占用多少字节。描述丢失的报文段2，是通过描述它的左右边界报文段1、3来完成的。而这个1、3实际上是表示序列号，所以描述一个丢失的报文段需要64位即8个字节的空间。那么可以推算整个选项字段最多描述(40-2)/8=4个丢失的报文段。
4. 时间戳选项（Timestamps）：可以用来计算RTT(往返时间)，发送方发送TCP报文时，把当前的时间值放入时间戳字段，接收方收到后发送确认报文时，把这个时间戳字段的值复制到确认报文中，当发送方收到确认报文后即可计算出RTT。也可以用来防止回绕序号PAWS，也可以说可以用来区分相同序列号的不同报文。因为序列号用32为表示，每2^32个序列号就会产生回绕，那么使用时间戳字段就很容易区分相同序列号的不同报文。
5. NOP(NO-Operation)：它要求选项部分中的每种选项长度必须是4字节的倍数，不足的则用NOP填充。同时也可以用来分割不同的选项字段。如窗口扩大选项和SACK之间用NOP隔开。