互連網早期的時候，主機間的互連使用的是NCP協(xié)議。這種協(xié)議本身有很多缺陷，如:不能互連不同的主機，不能互連不同的操作系統(tǒng)，沒有糾錯功能。為了改善這種缺點，大牛弄出了TCP/IP協(xié)議。現(xiàn)在幾乎所有的操作系統(tǒng)都實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。

TCP/IP協(xié)議棧主要分為四層:應用層、傳輸層、網絡層、數(shù)據鏈路層,每層都有相應的協(xié)議，如下圖

所謂的協(xié)議就是雙方進行數(shù)據傳輸?shù)囊环N格式。整個網絡中使用的協(xié)議有很多,所幸的是每一種協(xié)議都有RFC文檔。在這里只對IP、TCP、UDP協(xié)議頭做一個分析。

首先來看看在網絡中，一幀以太網數(shù)據包的格式：

在Linux 操作系統(tǒng)中，當我們想發(fā)送數(shù)據的時候，我們只需要在上層準備好數(shù)據，然后提交給內核協(xié)議棧 , 內核協(xié)議棧自動添加相應的協(xié)議頭。下面我們來看看，每一層添加的協(xié)議頭具體內容。

一. TCP協(xié)議

TCP協(xié)議是面向連接、保證高可靠性(數(shù)據無丟失、數(shù)據無失序、數(shù)據無錯誤、數(shù)據無重復到達)傳輸層協(xié)議。

1.TCP頭分析

先來分析一下TCP頭的格式以及每一個字段的含義:

(1)端口號[16bit]

我們知道，網絡實現(xiàn)的是不同主機的進程間通信。在一個操作系統(tǒng)中，有很多進程，當數(shù)據到來時要提交給哪個進程進行處理呢?這就需要用到端口號。在TCP頭中，有源端口號(Source Port)和目標端口號(Destination Port)。源端口號標識了發(fā)送主機的進程,目標端口號標識接受方主機的進程。

(2)序號[32bit]

序號分為發(fā)送序號(Sequence Number)和確認序號(Acknowledgment Number)。

發(fā)送序號：用來標識從 TCP源端向 TCP目的端發(fā)送的數(shù)據字節(jié)流，它表示在這個報文段中的第一個數(shù)據字節(jié)的順序號。如果將字節(jié)流看作在兩個應用程序間的單向流動，則 TCP用順序號對每個字節(jié)進行計數(shù)。序號是 32bit的無符號數(shù)，序號到達 2  32－ 1后又從 0開始。當建立一個新的連接時， SYN標志變 1，順序號字段包含由這個主機選擇的該連接的初始順序號 ISN（ Initial Sequence Number）。

確認序號：包含發(fā)送確認的一端所期望收到的下一個順序號。因此，確認序號應當是上次已成功收到數(shù)據字節(jié)順序號加 1。只有 ACK標志為 1時確認序號字段才有效。 TCP為應用層提供全雙工服務，這意味數(shù)據能在兩個方向上獨立地進行傳輸。因此，連接的每一端必須保持每個方向上的傳輸數(shù)據順序號。

(3)偏移[4bit]

這里的偏移實際指的是TCP首部的長度，它用來表明TCP首部中32 bit字的數(shù)目，通過它可以知道一個TCP包它的用戶數(shù)據是從哪里開始的。這個字段占4bit,如4bit的值是0101,則說明TCP首部長度是5 * 4 = 20字節(jié)。 所以TCP的首部長度最大為15 * 4 = 60字節(jié)。然而沒有可選字段，正常長度為20字節(jié)。

(4)Reserved [6bit]

目前沒有使用，它的值都為0

(5)標志[6bit]

在TCP首部中有6個標志比特。他們中的多個可同時被置為1 。

URG         緊急指針(urgent pointer)有效

ACK          確認序號有效

PSH          指示接收方應該盡快將這個報文段交給應用層而不用等待緩沖區(qū)裝滿
RST           一般表示斷開一個連接

例如:一個TCP的客戶端向一個沒有監(jiān)聽的端口的服務器端發(fā)起連接,wirshark抓包如下

可以看到host:192.168.63.134向host:192.168.63.132發(fā)起連接請求，但是host：192.168.63.132并沒有處于監(jiān)聽對應端口的服務器端，這時

host : 192.168.63.132發(fā)一個RST置位的TCP包斷開連接。

SYN          同步序號用來發(fā)起一個連接

FIN            發(fā)送端完成發(fā)送任務(即斷開連接)

(6)窗口大小(window)[16bit]

窗口的大小，表示源方法最多能接受的字節(jié)數(shù)。。

(7)校驗和[16bit]

校驗和覆蓋了整個的TCP報文段:TCP首部和TCP數(shù)據。這是一個強制性的字段，一定是由發(fā)端計算和存儲，并由收端進行驗證。

(8)緊急指針[16bit]

只有當URG標志置為1時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數(shù)據最后一個字節(jié)的序號。TCP的緊急方式是發(fā)送端向另一端發(fā)送緊急數(shù)據的一種方式。

(9)TCP選項

是可選的,在后面抓包的時候，我們在看看它

2.重點詳解

(1)三次握手建立連接

a.請求端(通常稱為客戶)發(fā)送一個SYN段指明客戶打算連接的服務器的端口，以及初始序號(ISN,在這個例子中為1415531521)。這個SYN段為報文段1。
b.服務器發(fā)回包含服務器的初始序號的SYN報文段(報文段2)作為應答。同時，將確認序號設置為客戶的ISN加1以對客戶的SYN報文段進行確認。一個SYN將占用一個序號
c.客戶必須將確認序號設置為服務器的ISN加1以對服務器的SYN報文段進行確認(報文段3)
這三個報文段完成連接的建立。這個過程也稱為三次握手(three-way handshake)

用wirshark抓包如下:

可以看到三次握手確定了雙方間包的序號、最大接受數(shù)據的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。
MSS = MTU - IP頭 - TCP頭,MTU表示最大傳輸單元，我們在IP頭分析的時候會講到,它一般為1500個字節(jié)。IP頭和TCP 頭部帶可選選項的時候都是20個字節(jié)。這樣的話MSS=1500 - 20 -20 = 1460。

MSS限制了TCP包攜帶數(shù)據的大小,它的意思就是當應用層向傳輸層提交數(shù)據通過TCP協(xié)議進行傳輸時，如果應用層的數(shù)據>MSS就必須分段，分成多個段，逐個的發(fā)過去。

例如:應用層一次性向傳輸層提交4096個字節(jié)數(shù)據，這個時候通過wirshark抓包效果如下:

前三次是三次握手的過程，后面三次是傳送數(shù)據的過程，由于數(shù)據大小是4096個字節(jié)，所以用了三次進行傳遞(1448 + 1448 + 1200)。細心的人會問為什么每次傳送的最大數(shù)據大小不是1460個字節(jié)呢?因為這里的TCP攜帶可選項，TCP頭長度 = 20 + 12（可選選項大小） = 32字節(jié)。 這樣能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據為:1500 - 20 - 32 = 1448個字節(jié)。

(2)四次揮手斷開連接

a.現(xiàn)在的網絡通信都是基于socket實現(xiàn)的，當客戶端將自己的socket進行關閉時，內核協(xié)議棧會向服務器自動發(fā)送一個FIN置位的包，請求斷開連接。我們稱首先發(fā)起斷開請求的一方稱為主動斷開方。
b.服務器端收到請客端的FIN斷開請求后，內核協(xié)議棧會立即發(fā)送一個ACK包作為應答，表示已經收到客戶端的請求
c.服務器運行一段時間后，關閉了自己的socket。這個時候內核協(xié)議棧會向客戶端發(fā)送一個FIN置位的包，請求斷開連接
d.客戶端收到服務端發(fā)來的FIN斷開請求后，會發(fā)送一個ACK做出應答，表示已經收到服務端的請求

用wirshar抓包分析如下:

(3)TCP可靠性的保證

TCP采用一種名為“帶重傳功能的肯定確認（positive acknowledge with retransmission）”的技術作為提供可靠數(shù)據傳輸服務的基礎。這項技術要求接收方收到數(shù)據之后向源站回送確認信息ACK。發(fā)送方對發(fā)出的每個分組都保存一份記錄，在發(fā)送下一個分組之前等待確認信息。發(fā)送方還在送出分組的同時啟動一個定時器，并在定時器的定時期滿而確認信息還沒有到達的情況下，重發(fā)剛才發(fā)出的分組。圖3-5表示帶重傳功能的肯定確認協(xié)議傳輸數(shù)據的情況，圖3-6表示分組丟失引起超時和重傳。為了避免由于網絡延遲引起遲到的確認和重復的確認，協(xié)議規(guī)定在確認信息中稍帶一個分組的序號，使接收方能正確將分組與確認關聯(lián)起來。

從圖 3-5可以看出，雖然網絡具有同時進行雙向通信的能力，但由于在接到前一個分組的確認信息之前必須推遲下一個分組的發(fā)送，簡單的肯定確認協(xié)議浪費了大量寶貴的網絡帶寬。為此， TCP使用滑動窗口的機制來提高網絡吞吐量，同時解決端到端的流量控制。

(4)滑動窗口技術

滑動窗口技術是簡單的帶重傳的肯定確認機制的一個更復雜的變形，它允許發(fā)送方在等待一個確認信息之前可以發(fā)送多個分組。如圖 3-7所示，發(fā)送方要發(fā)送一個分組序列，滑動窗口協(xié)議在分組序列中放置一個固定長度的窗口，然后將窗口內的所有分組都發(fā)送出去；當發(fā)送方收到對窗口內第一個分組的確認信息時，它可以向后滑動并發(fā)送下一個分組；隨著確認的不斷到達，窗口也在不斷的向后滑動。

二、UDP協(xié)議

UDP協(xié)議也是傳輸層協(xié)議，它是無連接，不保證可靠的傳輸層協(xié)議。它的協(xié)議頭比較簡單，如下:

這里的端口號就不解釋了,和TCP的端口號是一樣的含義。

Length占用2個字節(jié)，標識UDP頭的長度。Checksum : 校驗和,包含UDP頭和數(shù)據部分。

三、IP協(xié)議

I P是T C P / I P協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P數(shù)據都以I P數(shù)據報格式傳輸。它的特點如下:
不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保證 I P數(shù)據報能成功地到達目的地。 I P僅提供最好的傳輸服務。如果發(fā)生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩沖區(qū)， I P有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數(shù)據報，然后發(fā)送 I C M P消息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供（如T C P） 。

無連接（c o n n e c t i o n l e s s）這個術語的意思是I P并不維護任何關于后續(xù)數(shù)據報的狀態(tài)信息。每個數(shù)據報的處理是相互獨立的。這也說明， I P數(shù)據報可以不按發(fā)送順序接收。如果一信源向相同的信宿發(fā)送兩個連續(xù)的數(shù)據報（先是 A，然后是B） ，每個數(shù)據報都是獨立地進行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達之前先到達。

1.IP 頭格式

(1)版本　占4位，指IP協(xié)議的版本。通信雙方使用的IP協(xié)議版本必須一致。目前廣泛使用的IP協(xié)議版本號為4（即IPv4）。關于IPv6，目前還處于草案階段。 

(2)首部長度　占4位，可表示的最大十進制數(shù)值是15。請注意，這個字段所表示數(shù)的單位是32位字長（1個32位字長是4字節(jié)），因此，當IP的首部長度為1111時（即十進制的15），首部長度就達到60字節(jié)。當IP分組的首部長度不是4字節(jié)的整數(shù)倍時，必須利用最后的填充字段加以填充。因此數(shù)據部分永遠在4字節(jié)的整數(shù)倍開始，這樣在實現(xiàn)IP協(xié)議時較為方便。首部長度限制為60字節(jié)的缺點是有時可能不夠用。但這樣做是希望用戶盡量減少開銷。最常用的首部長度就是20字節(jié)（即首部長度為0101），這時不使用任何選項。 

(3)區(qū)分服務　占8位，用來獲得更好的服務。這個字段在舊標準中叫做服務類型，但實際上一直沒有被使用過。1998年IETF把這個字段改名為區(qū)分服務DS(Differentiated Services)。只有在使用區(qū)分服務時，這個字段才起作用。 

(4)總長度　總長度指首部和數(shù)據之和的長度，單位為字節(jié)。總長度字段為16位，因此數(shù)據報的最大長度為216-1=65535字節(jié)。 

在IP層下面的每一種數(shù)據鏈路層都有自己的幀格式，其中包括幀格式中的數(shù)據字段的最大長度，這稱為最大傳送單元MTU(Maximum Transfer Unit)。當一個數(shù)據報封裝成鏈路層的幀時，此數(shù)據報的總長度（即首部加上數(shù)據部分）一定不能超過下面的數(shù)據鏈路層的MTU值。 

(5)標識(identification)　占16位。IP軟件在存儲器中維持一個計數(shù)器，每產生一個數(shù)據報，計數(shù)器就加1，并將此值賦給標識字段。但這個“標識”并不是序號，因為IP是無連接服務，數(shù)據報不存在按序接收的問題。當數(shù)據報由于長度超過網絡的MTU而必須分片時，這個標識字段的值就被復制到所有的數(shù)據報的標識字段中。相同的標識字段的值使分片后的各數(shù)據報片最后能正確地重裝成為原來的數(shù)據報。 

(6)標志(flag)　占3位，但目前只有2位有意義。 

●　標志字段中的最低位記為MF(More Fragment)。MF=1即表示后面“還有分片”的數(shù)據報。MF=0表示這已是若干數(shù)據報片中的最后一個 

●　標志字段中間的一位記為DF(Don't Fragment)，意思是“不能分片”。只有當DF=0時才允許分片。 

(7)片偏移　占13位。片偏移指出：較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對位置。也就是說，相對用戶數(shù)據字段的起點，該片從何處開始。片偏移以8個字節(jié)為偏移單位。這就是說，每個分片的長度一定是8字節(jié)（64位）的整數(shù)倍。 

(8)生存時間　占8位，生存時間字段常用的的英文縮寫是TTL(Time To Live)，表明是數(shù)據報在網絡中的壽命。由發(fā)出數(shù)據報的源點設置這個字段。其目的是防止無法交付的數(shù)據報無限制地在因特網中兜圈子，因而白白消耗網絡資源。最初的設計是以秒作為TTL的單位。每經過一個路由器時，就把TTL減去數(shù)據報在路由器消耗掉的一段時間。若數(shù)據報在路由器消耗的時間小于1秒，就把TTL值減1。當TTL值為0時，就丟棄這個數(shù)據報。 

(9)協(xié)議　占8位，協(xié)議字段指出此數(shù)據報攜帶的數(shù)據是使用何種協(xié)議，以便使目的主機的IP層知道應將數(shù)據部分上交給哪個處理過程。 

(10)首部檢驗和　占16位。這個字段只檢驗數(shù)據報的首部，但不包括數(shù)據部分。這是因為數(shù)據報每經過一個路由器，路由器都要重新計算一下首部檢驗和（一些字段，如生存時間、標志、片偏移等都可能發(fā)生變化）。不檢驗數(shù)據部分可減少計算的工作量。 

(11)源IP地址　占32位。 

(12)目的IP地址　占32位。

2.分片解釋

分片指的是需要傳送的數(shù)據大于最大傳輸單元（MTU）的時候，就需要分成多個包，然后一個個發(fā)送給對方。我們在說TCP的時候，說到MSS很多人不能區(qū)分它們。通過下面的圖，我想就可以完全區(qū)分它們了。

個人覺的如果通過TCP協(xié)議傳輸數(shù)據，到IP層的時候，可定不需要分片了。只有在通過UDP協(xié)議傳送大數(shù)據的時候，需要分片。
例如:用UDP協(xié)議傳送10240個字節(jié)數(shù)據

可以看到，但數(shù)據提交到網絡層的時候，由于數(shù)據超過了最大傳輸單元，就分片了。分成多個包通過IP協(xié)議發(fā)送個對方。每個數(shù)據包最大的字節(jié)為MTU - IP頭 = 1500 - 20 = 1480。

四 、以太網頭

三部分組成 :源MAC Address | 目的 MAC Address | 所使用的協(xié)議.

所以在以太網中，數(shù)據包的格式有一下幾種:

ARP協(xié)議是通過IP地址獲得對應的MAC地址，稱為地址解析協(xié)議

RARP協(xié)議是通過MAC地址來獲得對應的IP地址，稱為逆向地址解析協(xié)議

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