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。

TCP/IP报文头部结构

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。
TCP/IP报文头部结构

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。