(轉)TCP、UDP、IP協議

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原文地址：http://blog.chinaunix.net/uid-26833883-id-3627644.html 互連網早期的時候，主機間的互連使用的是NCP協議。這種協議本身有很多缺陷，如:不能互連不同的主機，不能互連不同的作業系統，沒有錯誤修正功能。為了改善這種缺點，大牛弄出了TCP/IP協議。現在幾乎所有的作業系統都實現了TCP/IP協議棧。 TCP/IP協議棧主要分為四層:應用程式層、傳輸層、網路層、資料連結層,每層都有相應的協議，如

 

所謂的協議就是雙方進行資料轉送的一種格式。整個網路中使用的協議有很多,所幸的是每一種協議都有RFC文檔。在這裡只對IP、TCP、UDP協議頭做一個分析。 首先來看看在網路中，一幀乙太網路資料包的格式：在Linux 作業系統中，當我們想發送資料的時候，我們只需要在上層準備好資料，然後提交給核心協議棧 , 核心協議棧自動添加相應的協議頭。下面我們來看看，每一層添加的協議頭具體內容。 一. TCP協議TCP協議是連線導向、保證高可靠性(資料無丟失、資料無失序、資料無錯誤、資料無重複到達)傳輸層協議。1.TCP頭分析 先來分析一下TCP頭的格式以及每一個欄位的含義:(1)連接埠號碼[16bit] 我們知道，網路實現的是不同主機的處理序間通訊。在一個作業系統中，有很多進程，當資料到來時要提交給哪個進程進行處理呢?這就需要用到連接埠號碼。在TCP頭中，有源連接埠號碼(Source Port)和目標連接埠號碼(Destination Port)。源連接埠號碼標識了發送主機的進程,目標連接埠號碼標識接受方主機的進程。 (2)序號[32bit] 序號分為發送序號(Sequence Number)和確認序號(Acknowledgment Number)。 發送序號：用來標識從 TCP源端向 TCP目的端發送的資料位元組流，它表示在這個報文段中的第一個資料位元組的順序號。如果將位元組流看作在兩個應用程式間的單向流動，則 TCP用順序號對每個位元組進行計數。序號是 32bit的無符號數，序號到達 2  32－ 1後又從 0開始。當建立一個新的串連時， SYN標誌變 1，順序號欄位包含由這個主機選擇的該串連的初始順序號 ISN（ Initial Sequence Number）。 確認序號：包含發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資料位元組順序號加 1。只有 ACK標誌為 1時確認序號欄位才有效。 TCP為應用程式層提供全雙工系統服務，這意味資料能在兩個方向上獨立地進行傳輸。因此，串連的每一端必須保持每個方向上的傳輸資料順序號。 (3)位移[4bit] 這裡的位移實際指的是TCP首部的長度，它用來表明TCP首部中32 bit字的數目，通過它可以知道一個TCP包它的使用者資料是從哪裡開始的。這個欄位佔4bit,如4bit的值是0101,則說明TCP首部長度是5 * 4 = 20位元組。 所以TCP的首部長度最大為15 * 4 = 60位元組。然而沒有可選欄位，正常長度為20位元組。 (4)Reserved [6bit]目前沒有使用，它的值都為0 (5)標誌[6bit]在TCP首部中有6個標誌位元。他們中的多個可同時被置為1 。URG         緊急指標(urgent pointer)有效ACK          確認序號有效PSH          指示接收方應該儘快將這個報文段交給應用程式層而不用等待緩衝區裝滿 RST           一般表示斷開一個串連SYN          同步序號用來發起一個串連FIN            發送端完成發送任務(即中斷連線)(6)視窗大小(window)[16bit] 視窗的大小，表示源方法最多能接受的位元組數。。 (7)校正和[16bit] 校正和覆蓋了整個的TCP報文段:TCP首部和TCP資料。這是一個強制性的欄位，一定是由發端計算和儲存，並由收端進行驗證。 (8)緊急指標[16bit] 只有當URG標誌置為1時緊急指標才有效。緊急指標是一個正的位移量，和序號欄位中的值相加表示緊急資料最後一個位元組的序號。TCP的緊急方式是發送端向另一端發送緊急資料的一種方式。 (9)TCP選項 是可選的,在後面抓包的時候，我們在看看它 2.重點詳解(1)三向交握建立串連a.請求端(通常稱為客戶)發送一個SYN段指明客戶打算已連線的服務器的連接埠，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.伺服器發回包含伺服器的初始序號的SYN報文段(報文段2)作為應答。同時，將確認序號設定為客戶的ISN加1以對客戶的SYN報文段進行確認。一個SYN將佔用一個序號c.客戶必須將確認序號設定為伺服器的ISN加1以對伺服器的SYN報文段進行確認(報文段3) 這三個報文段完成串連的建立。這個過程也稱為三向交握(three-way handshake)可以看到三向交握確定了雙方間包的序號、最大接受資料的大小(window)以及MSS(Maximum Segment Size)。 MSS = MTU - IP頭 - TCP頭,MTU表示傳輸單元最大值，我們在IP頭分析的時候會講到,它一般為1500個位元組。IP頭和TCP 頭部帶可選選項的時候都是20個位元組。這樣的話MSS=1500 - 20 -20 = 1460。 MSS限制了TCP包攜帶資料的大小,它的意思就是當應用程式層向傳輸層提交資料通過TCP協議進行傳輸時，如果應用程式層的資料>MSS就必須分段，分成多個段，逐個的發過去。前三次是三向交握的過程，後面三次是傳送資料的過程，由於資料大小是4096個位元組，所以用了三次進行傳遞(1448 + 1448 + 1200)。細心的人會問為什麼每次傳送的最大資料大小不是1460個位元組呢?因為這裡的TCP攜帶可選項，TCP頭長度 = 20 + 12（可選選項大小） = 32位元組。 這樣能傳輸的最大資料為:1500 - 20 - 32 = 1448個位元組。 (2)四次揮手中斷連線 a.現在的網路通訊都是基於socket實現的，當用戶端將自己的socket進行關閉時，核心協議棧會向伺服器自動發送一個FIN置位的包，請求中斷連線。我們稱首先發起斷開請求的一方稱為主動斷開方。 b.伺服器端收到請客端的FIN斷開請求後，核心協議棧會立即發送一個ACK包作為應答，表示已經收到用戶端的請求 c.伺服器運行一段時間後，關閉了自己的socket。這個時候核心協議棧會向用戶端發送一個FIN置位的包，請求中斷連線 d.用戶端收到服務端發來的FIN斷開請求後，會發送一個ACK做出應答，表示已經收到服務端的請求 

 

(3)TCP可靠性的保證 

TCP採用一種名為“帶重傳功能的肯定確認（positive acknowledge with retransmission）”的技術作為提供可靠Data Transmission Service的基礎。這項技術要求接收方收到資料之後向來源站點回送確認資訊ACK。發送方對發出的每個分組都儲存一份記錄，在發送下一個分組之前等待確認資訊。發送方還在送出分組的同時啟動一個定時器，並在定時器的定時期滿而確認資訊還沒有到達的情況下，重發剛才發出的分組。圖3-5表示帶重傳功能的肯定確認協議傳輸資料的情況，圖3-6表示分組丟失引起逾時和重傳。為了避免由於網路延遲引起遲到的確認和重複的確認，協議規定在確認資訊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起來。

從圖 3-5可以看出，雖然網路具有同時進行雙向通訊的能力，但由於在接到前一個分組的確認資訊之前必須延遲下一個分組的發送，簡單的肯定確認協議浪費了大量寶貴的網路頻寬。為此， TCP使用滑動視窗的機制來提高網路輸送量，同時解決端到端的流量控制。

(4)滑動視窗技術 

滑動視窗技術是簡單的帶重傳的肯定確認機制的一個更複雜的變形，它允許發送方在等待一個確認資訊之前可以發送多個分組。 3-7所示，發送方要發送一個分組序列，滑動視窗協議在分組序列中放置一個固定長度的視窗，然後將視窗內的所有分組都發送出去；當發送方收到對視窗內第一個分組的確認資訊時，它可以向後滑動並發送下一個分組；隨著確認的不斷到達，視窗也在不斷的向後滑動。

二、UDP協議 UDP協議也是傳輸層協議，它是無串連，不保證可靠的傳輸層協議。它的協議頭比較簡單，如下:

這裡的連接埠號碼就不解釋了,和TCP的連接埠號碼是一樣的含義。Length佔用2個位元組，標識UDP頭的長度。Checksum : 校正和,包含UDP頭和資料部分。三、IP協議 I P是T C P / I P協議族中最為核心的協議。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P資料都以I P資料報格式傳輸。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資料報能成功地到達目的地。 I P僅提供最好的傳輸服務。如果發生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩衝區， I P有一個簡單的錯誤處理演算法：丟棄該資料報，然後發送 I C M P訊息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供（如T C P） 。 無串連（c o n n e c t i o n l e s s）這個術語的意思是I P並不維護任何關於後續資料報的狀態資訊。每個資料報的處理是相互獨立的。這也說明， I P資料報可以不按發送順序接收。如果一信源向相同的信宿發送兩個連續的資料報（先是 A，然後是B） ，每個資料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　佔4位，指IP協議的版本。通訊雙方使用的IP協議版本必須一致。目前廣泛使用的IP協議版本號碼為4（即IPv4）。關於IPv6，目前還處於草案階段。 

 

(2)首部長度　佔4位，可表示的最大十進位數值是15。請注意，這個欄位所表示數的單位是32位字長（1個32位字長是4位元組），因此，當IP的首部長度為1111時（即十進位的15），首部長度就達到60位元組。當IP分組的首部長度不是4位元組的整數倍時，必須利用最後的填充欄位加以填充。因此資料部分永遠在4位元組的整數倍開始，這樣在實現IP協議時較為方便。首部長度限制為60位元組的缺點是有時可能不夠用。但這樣做是希望使用者盡量減少開銷。最常用的首部長度就是20位元組（即首部長度為0101），這時不使用任何選項。 

 

(3)區分服務　佔8位，用來獲得更好的服務。這個欄位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把這個欄位改名為區分服務DS(Differentiated Services)。只有在使用區分服務時，這個欄位才起作用。 

 

(4)總長度　總長度指首部和資料之和的長度，單位為位元組。總長度欄位為16位，因此資料報的最大長度為216-1=65535位元組。 

在IP層下面的每一種資料連結層都有自己的框架格式，其中包括框架格式中的資料欄位的最大長度，這稱為最大傳送單元MTU(Maximum Transfer Unit)。當一個資料報封裝成鏈路層的幀時，此資料報的總長度（即首部加上資料部分）一定不能超過下面的資料連結層的MTU值。 

 

(5)標識(identification)　佔16位。IP軟體在儲存空間中維持一個計數器，每產生一個資料報，計數器就加1，並將此值賦給識別欄位。但這個“標識”並不是序號，因為IP是無串連服務，資料報不存在按序接收的問題。當資料報由於長度超過網路的MTU而必須分區時，這個識別欄位的值就被複製到所有的資料報的識別欄位中。相同的識別欄位的值使分區後的各資料報片最後能正確地重裝成為原來的資料報。 

 

(6)標誌(flag)　佔3位，但目前只有2位有意義。 

●　標誌欄位中的最低位記為MF(More Fragment)。MF=1即表示後面“還有分區”的資料報。MF=0表示這已是若干資料報片中的最後一個 

●　標誌欄位中間的一位記為DF(Don’t Fragment)，意思是“不能分區”。只有當DF=0時才允許分區。 

 

(7)片位移　佔13位。片位移指出：較長的分組在分區後，某片在原分組中的相對位置。也就是說，相對使用者資料欄位的起點，該片從何處開始。片位移以8個位元組為位移單位。這就是說，每個分區的長度一定是8位元組（64位）的整數倍。 

 

(8)存留時間　佔8位，存留時間欄位常用的的英文縮寫是TTL(Time To Live)，表明是資料報在網路中的壽命。由發出資料報的源點設定這個欄位。其目的是防止無法交付的資料報無限制地在網際網路中兜圈子，因而白白消耗網路資源。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減去資料報在路由器消耗掉的一段時間。若資料報在路由器消耗的時間小於1秒，就把TTL值減1。當TTL值為0時，就丟棄這個資料報。 

 

(9)協議　佔8位，協議欄位指出此資料報攜帶的資料是使用何種協議，以便使目的主機的IP層知道應將資料部分上交給哪個處理過程。 

 

(10)首部檢驗和　佔16位。這個欄位只檢驗資料報的首部，但不包括資料部分。這是因為資料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（一些欄位，如存留時間、標誌、片位移等都可能發生變化）。不檢驗資料部分可減少計算的工作量。 

 

(11)源IP地址　佔32位。 

 

(12)目的IP地址　佔32位。

 2.分區解釋 分區指的是需要傳送的資料大於傳輸單元最大值（MTU）的時候，就需要分成多個包，然後一個個發送給對方。我們在說TCP的時候，說到MSS很多人不能區分它們。通過下面的圖，我想就可以完全區分它們了。

個人覺的如果通過TCP協議傳輸資料，到IP層的時候，可定不需要分區了。只有在通過UDP協議傳送大資料的時候，需要分區。 例如:用UDP協議傳送10240個位元組資料

可以看到，但資料提交到網路層的時候，由於資料超過了傳輸單元最大值，就分區了。分成多個包通過IP協議發送個對方。每個資料包最大的位元組為MTU - IP頭 = 1500 - 20 = 1480。

四 、乙太網路頭

三部分組成 :源MAC Address | 目的 MAC Address | 所使用的協議. 所以在乙太網路中，資料包的格式有一下幾種:
ARP協議是通過IP地址獲得對應的MAC地址，稱為位址解析通訊協定RARP協議是通過MAC地址來獲得對應的IP地址，稱為逆向位址解析通訊協定

 

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