以太网帧、TCP与UDP段以及IP数据报格式总结

传输层及其以下的机制由内核提供,是操作系统的一部分，应⽤层由⽤户进程提供应⽤层数据通过协议栈发到⽹络上时,每层协议都要加上⼀个数据⾸部(header),称为封装。不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在⽹络层叫做数据报(datagram),在链路层叫做帧(frame)。

1、以太网帧格式

♦源地址和⽬的地址是指⽹卡的硬件地址(也叫MAC地址),长度是48位,是在⽹卡出⼚时固化的。Linux下可以⽤ifconfig命令看⼀下,“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。

♦ 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、 ARP、 RARP。

♦ 帧末尾是CRC校验码。

♦数据长度规定最⼩46字节,最⼤1500字节,ARP和RARP数据包的长度不够46 字节,要在后⾯补填充位。

♦最⼤值1500称为以太⽹的最⼤传输单元(MTU),不同的⽹络类型有不同的MTU,如果⼀个数据包从以太⽹路由到拨号链路上,数据包长度⼤于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进⾏分⽚。 ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注 意,MTU这 个概念指数据帧中有效载荷的最⼤长度,不包括帧⾸部的长度。

2、IP数据报格式（这⾥讨论IPv4）

♦4 位版本号指定 IP 协议的版本。对 IPv4 来说，其值是 4；

♦4 位头部长度标识该 IP 头部有多少个 32 bit字（4 字节 ），最⼩值为5,也就是说⾸部长度最⼩是4x5=20字节, 也就是不带任何选项的IP⾸部,4位能表⽰的最⼤值是15,也就是说⾸部长度最⼤是60字 节。

 ♦8位TOS字段有3个位⽤来指定IP数据报的优先级(⽬前已经废弃不⽤),还有4个位表⽰可选的服务类型(最⼩延迟、最⼤呑吐量、最⼤可靠性、最⼩成本),还有⼀个位总 是0。

♦16位总长度是整个数据报(包括IP⾸部和IP层payload)的字节数，以字节为单位，因 此 IP 数据报的最大长度为 65535 (2,6-1 ) 字节。但由于MTU的限制， 长度超过 MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的 IP 数据报 （或分片）的长度都远远没有达到最大值。 

♦16位标识唯一地标识主机发送的每一个数据报。初始值由系统随机生成 ：每发送一个数据报，其值就加 1。该值在数据报分片时被复制到每个分片中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。

♦3 位标志字段的第一位保留。第二位表 示“ 禁止分片”。如果设S 了这个位，IP 模块将不对数据报进行分片。在这种情况下，如 果 1P数据报 K 度 超 过 MTU的话， IP 模块将丢弃该数据报并返回一个丨CMP差错报文 。第 三 位及 示 “ 更多分片 ”。除了数据报的最后一个分片外，其他分片都要把它置1。

♦13位分片偏移是分片相对原始丨P 数据报开始处 （仅指数据部分 ）的偏移。实际的偏移值是该值左移 3 位（乘 8 ) 后得到的。由于这个原因，除了最后一个丨P 分片外，每 个 IP 分片的数据部分的长度必须垃8 的整数倍 （这样才能保证后面的 1P分片拥有一个合适的偏移侦)。

♦8 位生存时间 （Time To Live， T T L) 是数据报到达目的地之前允许经过的路rfl器跳数。TTL值被发送端设置 （常见的值记 64)。数据报在转发过程中每经过一个路由，该值就被路由器减 1。当 TTL值减为 0 时 ，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个 ICMP 差错报文aTTL值可以防止数据报陷入路由循环。

♦8 位协议用来区分上层协议，/etc/prmocols 文件定义了所有上层协议对应的 protocol字段的数值。其中 ICMP是 1，TCP是 6, UDP是 17。 /etc/protocols文件是 RFC 1700的一个子集。

♦16位头部校验和由发送端填充，接收端对其使用 CRC 算法以检验IP 数据报头部（注意，仅检验头部）在传输过程中是否损坏。

♦32位的源端 IP 地址和目的端 IP 地址用来标识数据报的发送端和接收端 。—般情况下，这两个地址在整个数据报的传递过程中保持不变，而不论它中间经过多少个中转路由器。♦选项字段是可变长的可选信息 。这部分最多包含40字节 ，因为丨P头部最长是 60 字节（其中还包含前面讨论的 20 字节的同定部分）。可用的 IP 选项包括：记录路由、时间戳、松散路由源路由选择、严格源路由选择。

 3、 UDP的段格式

 

4、分析⼀帧基于UDP的TFTP协议帧

以太⽹⾸部 

0000: 00 05 5d 67 d0 b1 00 05 5d 61 58 a8 08 00

分析：目的MAC地址：00:05:5d:67:d0:b1；源MAC地址：00 05 5d 61 58 a8；上层协议类型：0x0800表⽰IP。

 IP ⾸部
0000: 45 00
0010: 00 53 93 25 00 00 80 11 25 ec c0 a8 00 37 c0 a8 0020: 00 01

分析： 4位版本号：4，即IPv4；4位⾸部长度：5,说 明IP⾸部不带有选项字段；8位服务类型：0，没有使⽤服务； 16位总长度字段：(包括IP⾸部和IP层payload的度)0x0053,即83字节,加上以太⽹⾸部14字节可知整个帧长度是97字；IP报标识：0x9325；标志字段与⽚偏移字段：0x0000,就是DF=0允许分⽚,MF=0此数据报没有更多分⽚,没有分⽚偏移； TTL：0x80,也就是12；上层协议：0x11表⽰UDP协议； IP ⾸部校验和：0x25ec；源主机IP：c0 a8 00 37(192.168.0.55),⽬的主机IP：c0 a8 00 01(192.168.0.1)。

 UDP⾸部
0020: 05 d4 00 45 00 3f ac 40

分析：16位源端口号：0x05d4(1492)是客户端的端口号；⽬的端口号：0x0045(69)是TFTP服务的well-known端口号；16位UDP长度： 0x003f,即63字节,包括UDP⾸部和UDP层payload的长度；UDP⾸部和UDP层payload的校验和：0xac40。

TFTP协议
0020:
0030: 'w''e''r''q''.''q''w''e'00 'n''e''t''a''s''c''i' 0040: 'i'00 'b''l''k''s''i''z''e'00 '5''1''2'00 't''i' 0050: 'm''e''o''u''t'00'1''0'00 't''s''i''z''e'00 '0' 0060: 00

TFTP：基于⽂本的协议,各字段之间⽤字节0分隔,开头的 00 01 表⽰请求读取⼀个⽂件,接下来的各字段是:c:\qwerq.qwe netascii blksize 512 timeout 10 tsize 0

⼀般的⽹络通信方式：客户端主动发起请求，⽽服务器被动地等待、接收和应答请求。IP 地址和端口号唯⼀标识了该主机上的TFTP进程，客户端是主动发起请求的⼀⽅,它必须知道服务器的IP 地址和TFTP服务进程的端口号,所以,⼀些常见的⽹络协议有默认的服务器端口号 ,例如HTTP服务默认TCP协议 的端口号80 ,FTP服务默认TCP协议的端口号21 ,TFTP服务默认UDP协议 的端口号69(如上例所⽰)。 在使⽤客户端程序时,必须指定服务器的主机名或IP 地址,如果不明确指定端⼜号则采⽤默认端口号 。

5、TCP段格式

   ♦源端口（16位）：标识发送报文的计算机端口或进程。一个 TCP 报文段必须包括源端口号，使目的主机知道应该向何处发送确认报文。

♦目的端口（16位）：标识接收报文的目的主机的端口或进程。

♦序号（也叫序列号）（32位）：用于标识每个报文段，使目的主机可确认已收到指定报文段中的数据。当源主机用于多个报文段发送一个报文时，即使这些报文到达目的主机的顺序不一样。在 SYN 标志未置位时，该字段指示了用户数据区中第一个字节的序号；在 SYN 标志置位时，该字段指示的是初始发送的序列号。

　　在建立连接时发送的第一个报文段中，双方都提供一个初始序列号。TCP 标准推荐使用以 4ms 间隔递增 1 的计数器值作为这个初始序列号的值。使用计数器可以防止连接关闭再重新连接时出现相同的序列号。对于那些包含数据的报文段，报文段中第一个数据字节的数量就是初始序列号，其后数据字节按顺序编号。如果源主机使用同样的连接发送另一个报文段，那么这个报文段的序列号等于前一个报文段的序列号与前一个报文段中数据字节的数量之和。    如果序列号增大至最大值将复位为 0。

 ♦确认号（32位）:目的主机返回确认号，使源主机知道某个或几个报文段已被接收。

　　例如，序列号等于前一个报文段的序列号与前一个报文段中数据字节的数量之和。例如，假设源主 机发送 3 个报文段，每个报文段有 100 字节的数据，且第一个报文段的序列号是 1000，那么接收到第一个报文段后，目的主机返回含确认号1100 的报头。接收到第二个报文段（其序号为 1100 ）后，目的主机返回确认号 1200。接收到第三个报文段后，目的主机返回确认号 1300 。目的主机不一定在每次接收到报文段后都返回确认号。在上面的例子中，目的主机可能等到所有 3 个报文段都收到后，再返回一个含确认号 1300 的报文段，表示已接收到全部 1200 字节的数据。但是如果目的主机再发回确认号之前等待时间过长，源主机会认为数据没有到达目的主机，并自动重发。上面的例子中，如果目的主机接收到了报文段号为 1000 的第一个报文段以及报文段号为 1200 的最后一个报文段，则可返回确认号 1100，但是再返回确认号 1300 之前，应该等待报文段号为 1100 的中间报文段。

  ♦数据偏移（首部长度）（4位）

  ♦保留位（6位）:由跟在数据偏移字段后的 6 位构成， 全部为 0 。

  ♦控制位（6位）：SYN ACK FIN RST PSH URG

SYN: 表示建立连接；

FIN: 表示关闭连接；

ACK: 表示响应；

PSH: 表示有 DATA数据传输；

RST：表示连接重置；

UGR：紧急指针。

　　SYN和ACK同时为1时，它表示建立连接之后的响应，如果只是SYN为1，它表示的只是建立连接。TCP的几次握手就是通过这样的ACK表现出来的。SYN与FIN不同时为1，前者表示建立连接，而后者表示断开连接。RST一般在FIN之后才会出现为1的情况，表示连接重置。一般地，当出现FIN包或RST包时，我们便认为客户端与服务器端断开了连接；而当出现SYN和SYN＋ACK包时，我们认为客户端与服务器建立了一个连接。PSH为1的情况，一般只出现在 DATA内容不为0的包中，也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。

 ♦窗口（16位）:此字段用来进行流量控制，这个值是本机期望一次接收的字节数，即发送数据的窗口大小。告诉对方在不等待确认的情况下，可以发来多大的数据。这里表示的最大长度是2^16 - 1 = 65535，如需要使用更大的窗口大小，需要使用选项中的窗口扩大因子选项。指发送本报文段的一方的接收窗口（而不是自己的发送窗口）。

  ♦校验和（16位）:源主机和目的主机根据 TCP 报文段以及伪报头的内容计算校验和。在伪报头中存放着来自 IP 报头以及 TCP 报文段长度信息。与 UDP 一样，伪报头并不在网络中传输，并且在校验和中包含伪报头的目的是为了防止目的主机错误地接收存在路由的错误数据报。

伪首部， 又称为伪包头（Pseudo Header）：是指在 TCP 的分段或 UDP 的数据报格式中，在数据报首部前面增加源 IP 地址、目的 IP 地址、IP 分组的协议字段、TCP 或 UDP 数据报的总长度等共12字节，所构成的扩展首部结构。此伪首部是一个临时的结构，它既不向上也不向下传递，仅仅只是为了保证可以校验套接字的正确性。

UDP的首部结构和TCP的伪首部相同，只不过TCP中协议字段为6。

♦紧急指针（16位）:仅在 URG = 1 时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据），即指出了紧急数据的末尾在报文中的位置，注意：即使窗口为零时也可发送紧急数据。如果 URG 为 1 ，则紧急指针标志着紧急数据的结束。其值是紧急数据最后 1 字节的序号，表示报文段序号的偏移量。例如，如果报文段的序号是 1000，前 8 个字节都是紧急数据，那么紧急指针就是 8 。紧急指针一般用途是使用户可中止进程。

♦选项、填充字段：可能包括“窗口扩大因子”、“时间戳”等选项。长度可变，最长可达 40 字节，当没有使用选项时，TCP 首部长度是 20 字节。填充用于保证任选项为 32bit 的整数倍。

♦数据（长度可变）:TCP 首部结束之后的部分