(转)TCP、UDP、IP报头结构体分析

TCP数据段格式    
      TCP是一种可靠的、面向连接的字节流服务。源主机在传送数据前需要先和目标主机建立连接。然后，在此连接上，被编号的数据段按序收发。同时，要求对每个数据段进行确认，保证了可靠性。如果在指定的时间内没有收到目标主机对所发数据段的确认，源主机将再次发送该数据段。 下图为TCP头部结构：


  ●源、目标端口号字段：各占16比特。TCP协议通过使用"端口"来标识源端和目标端的应用进程。端口号可以使用0到65535之间的任何数字，但是这些端口号已经被分为公认端口、注册端口和动态/私有端口，这个划分详见下一篇博文。在收到服务请求时，操作系统动态地为客户端的应用程序分配端口号。在服务器端，每种服务在"众所周知的端口"（Well-Know Port）为用户提供服务。
  ●顺序号字段：占32比特。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，序列号也可以使目的主机按顺序排列它们。
　　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。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，那么第二个报文段的序列号就是1100（1000＋100），第三个报文段的序列号就是1200（1100＋100）。如果序列号增大至最大值将复位为0。    
  ●确认号字段：占32比特。只有ACK标志为1时，确认号字段才有效。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。如果ACK控制位被设置为1，则该字段有效。确认号等于顺序接收到的最后一个报文段的序号加1(建立连接时)或者加上一份数据的大小(数据传输时)，这也是目的主机希望下次接收的报文段的序号值。返回确认号后，计算机认为已接收到小于该确认号的所有数据。
　　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。    
  ●头部长度字段：占4比特。给出头部占32比特的数目。由于TCP报头的长度随TCP选项字段内容的不同而变化，因此报头中包含一个指定报头字段的字段。该字段以32比特为单位，所以报头长度一定是32比特的整数倍，有时需要在报头末尾补0。如果报头没有TCP选项字段，则报头长度值为5，表示报头一个有160比特，即20字节。    
  ●标志位字段（U、A、P、R、S、F）：占6比特。各比特的含义如下：    
  >>> URG：报文段紧急。    
  >>> ACK：确认序号有效。    
  >>> PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。    
  >>> RST：重建连接。    
  >>> SYN：发起一个连接。在握手完成后SYN为1，表示TCP建立已连接。此后的所有报文段中，SYN都被置0。
  >>> FIN：释放一个连接。如果源主机数据发送完毕，将把该连接下要发送的最后一个报文段的报头中的FIN位置1，或将该报文段后面发送的报头中该位置1。    
  ●窗口大小字段：占16比特。此字段用来进行流量控制。单位为字节数，这个值是本机期望一次接收的字节数。接收计算机可接收的新数据字节的数量，根据接收缓冲区可用资源的大小，其值随计算机所发送的每个报文段而变化。源主机可以利用接收到的窗口值决定下一个报文段的大小。   
  ●TCP校验和字段：占16比特。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，并由目标端进行验证。    
  ●紧急指针字段：占16比特。它是一个偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。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。    
  ●选项字段：占32比特。可能包括"窗口扩大因子"、"时间戳"等选项。
  ●数据部分：报头后面是可选的报文段数据部分。IP协议标准要求株距能接收最长达576字节的数据报。无其他选项的IP报头是20字节，无其他选项的TCP报头也是20字节，所以IP选项和TCP选项且含有多达536字节数据的TCP报文段无须分片就可达到目的主机。

UDP数据段格式    
    UDP是一种不可靠的、无连接的数据报服务。源主机在传送数据前不需要和目标主机建立连接。数据被冠以源、目标端口号等UDP报头字段后直接发往目的主机。这时，每个数据段的可靠性依靠上层协议来保证。在传送数据较少、较小的情况下，UDP比TCP更加高效。   
下图为UDP的头部结构：  

  ●源、目标端口号字段：占16比特。作用与TCP数据段中的端口号字段相同，用来标识源端和目标端的应用进程。    
  ●长度字段：占16比特。标明UDP头部和UDP数据的总长度字节。    
  ●校验和字段：占16比特。用来对UDP头部和UDP数据进行校验。和TCP不同的是，对UDP来说，此字段是可选项，而TCP数据段中的校验和字段是必须有的 

IP报文段格式
下图为IP的头部结构：

    普通的 IP 头部长度为20 个字节，不包含IP 选项字段。 
  ●版本号（Version）：标明了IP 协议的版本号，目前的协议版本号为4。下一代IP 协议的版本号为6。 
  ●报文长度：指 IP 包头部长度，占4 位。 
  ●8 位的服务类型：包括一个3 位的优先权字段（COS，Class of Service），4 位TOS 字段和1 位未用位。4 位TOS 分别代表最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。
  ●总长度：是整个IP 数据报长度，包括数据部分。 
  ●标识符：唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1。
  ●生存时间：设置了数据包可以经过的路由器数目。一旦经过一个路由器，TTL 值就会减1，当该字段值为0 时，数据包将被丢弃。 
  ●协议：确定在数据包内传送的上层协议，和端口号类似，IP 协议用协议号区分上层协议。TCP 协议的协议号为6，UDP 协议的协议号为17。 
  ●报头校验和：计算IP 头部的校验和，检查报文头部的完整性。
  ●源IP 地址和目的IP 地址字段：标识数据包的源端设备和目的端设备。 

  ●IP选项：一般格式为1个字节的代码，一个字节的长度，一个字节的指针，指针的值从1开始计数，指向IP选项的内容，一般其值为4(跳过了前面的代码&长度&指针的三个字节)，长度包括前面3个字节在内的整个IP选项，最大值为40。

注：正常IP包的包头长度标志位(第0x000E字节)的值都是0x45，其中高位“4”表示该IP包的版本号为4(IP v4)，低位“5”表示包头长5个32位组(即20字节)。

以太网的帧格式如下所示

其中的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。用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小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（fragmentation）。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。