TCP、UDP与IP首部

1、TCP首部

1、TCP虽然是面向字节的，但传输的时候数据单元却是报文段，一个TCP报文段分为首部和数据两部分，TCP的首部前20个字节是固定的，后面的4n个字节根据需要来增加，因此TCP报文最小的长度为20字节。

引用一张图

各字段含义如下：

• 1、源端口和目的端口：顾名思义，各占两个字节；
• 2、序号，占4个字节，范围是0-2^ 31 -1，序号采用的是 mod 2 ^ 32，当到达最大之后会再次从0开始，这个序号是用来标识报文段对应的字节的开始和结束范围，例如，一报文段的序号是301，而接待的数据共有100字节。这就表明：本报文段的数据的第一个字节的序号是301，最后一个字节的序号是400。显然，下一个报文段（如果还有的话）的数据序号应当从401开始，即下一个报文段的序号字段值应为401。
• 3、确认号，占4个字节，表示希望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。例如，B正确收到了A发送过来的一个报文段，其序号字段值是501，而数据长度是200字节（序号501~700），这表明B正确收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701。注意，现在确认号不是501，也不是700，而是701。
  若确认号为= N，则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到
• 4、数据偏移，占4位，指出TCP报文首部长度，因为首部中还存在不确定的选项部分，因此数据偏移是必要的，由于数据偏移占四位，最大表示为2^4 - 1=15，由于数据偏移的单位是32位的，也就是4字节的字为单位，因此，TCP报文长度最大为60字节，也就是说选项部分最大为40字节。
• 5、保留，占6位，为今后使用，置为0。
• 6、下面6位为控制位：

URG，置1时表示报文段中有紧急数据，需要尽快发送，表示数据的高优先级，此时发送方的TCP会把紧急数据插入到本报文段的最前面，而在紧急数据的后面仍是普通数据。这时要与首部中紧急指针（Urgent Pointer）字段配合使用。
ACK，确认，当ACK = 1时确认号字段才有效，ACK = 0确认号无效，在TCP建立连接后都要把ACK置为1。
推送PSH，在两个应用进行交互时，如果希望键入一个字符后希望立即得到相应时就可使用此控制位，在这种情况下，TCP采用push操作，将PSH置为1，并立即创建一个报文段发送出去，而接收方接收到这个PSH为1的报文就会尽快完成交付，而不必等到缓冲区满。
复位 RST，当RST = 1时，表明TCP连接中出现了严重的错误，如主机崩溃或其他原因，必须释放连接再重新建立连接，RST置为1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。
同步 SYN ，当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对*同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1，因此SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
终止 FIN，用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送发的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

• 7、窗口，占2字节。窗口值是【0，2^16-1】之间的整数。窗口指的是发送本报文段的一方的接受窗口（而不是自己的发送窗口）。窗口值告诉对方：从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量（以字节为单位）。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。总之，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。(考虑滑动窗口)。
  例如，发送了一个报文段，其确认号是701，窗口字段是1000.这就是告诉对方：“从701算起，我（即发送方报文段的一方）的接收缓存空间还可接受1000个字节数据（字节序号是701~1700），你在给我发数据时，必须考虑到这一点。” 总之：窗口字段明确指出了现在允许对方发送的数据量。窗口值经常在动态变化
• 8、校验和，占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP用户数据报一样，在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式和UDP用户数据报的伪首部一样。但应把伪首部第4个字段中的17改为6（TCP的协议号是6）；把第5字段中的UDP中的长度改为TCP长度。接收方收到此报文段后，仍要加上这个伪首部来计算检验和。若使用TPv6,则相应的伪首部也要改变。
• 9、紧急指针，占2字节。紧急指针仅在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） 。因此，在紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。当所有紧急数据都处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。值得注意的是，即使窗口为0时也可以发送紧急数据。

注意：TCP最初只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS（Maximum Segment Szie）。注意MSS这个名词含义。MSS是每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。所以MSS并不是整个TCP报文段的最大长度，而是“TCP报文段长度减去TCP首部长度”。

为什么要规定一个最大报文长度MSS呢？这并不是考虑接受方的接收缓存可能存放不下TCP报文段中的数据。实际上，MSS与接收窗口值没有关系。我们知道，TCP报文段的数据部分，至少要加上40字节的首部（TCP首部20字节和IP首部20字节，这里还没有考虑首部中的可选部分）才能组装成一个IP数据报。若选择较小的MSS长度，网络的利用率就降低。设想在极端情况下，当TCP报文段只含有1字节的数据时，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，对网络的利用率就不会超过1/41。到了数据链路层还要加上一些开销。但反过来，若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片组成成原来的TCP报文段，当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。

因此，MSS应尽可能大些，只要在IP层传输时不需要分片就行。由于IP数据报所经历的路径是动态变化的，因此在这条路径上确定的不需要的分片的MSS，如果改走另一条路径就可能需要进行分片。因此最佳的MSS是很难确定的。在连接过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段，以后就按照这个数值传输数据，两个传送方向可以有不同的MSS值。若主机未填写这一项，则MSS的默认值是536字节长。因此，所有在互联网上的主机都应该接受的报文段长度是536+20（固定首部长度）=556字节。

摘自：TCP报文段的首部格式

2、UDP首部

引用一张图

1、源端口和目的端口分别占16位；
2、长度，UDP数据报的长度，以字节为单位，包括首部的8个字节在内，因此长度最小为8；
3、校验和，放防止在传输过程中出错。

3、IP首部

IP数据报首部最小位20字节，最大位60字节，最小时只有固定部分，下面引用一张图

• 1、版本，占4位，包含创建数据报所用的IP协议的版本信息。
• 2、首部长度，IP首部的最大长度位15x4=60字节，数据报首部长度必须是4的整数倍，可能需要在填充字段中填0来保证。最常见的首部长度时20字节，字段值位5。
• 3、TOS，指明应当如何处理数据报。
• 4、总长度，占16位，表示以字节为单位的整个数据报的长度，最大位2^16 - 1个字节。
• 5、标识，16位；用于标识IP数据报，如果因为数据链路层帧数据段长度限制（也就是MTU，支持的最大传输单元），IP数据报需要进行分片发送，则每个分片的IP数据报标识都是一致的。
• 6、标志位，3位，但目前只有2位有意义；最低位为MF，MF=1代表后面还有分片的数据报，MF=0代表当前数据报已是最后的数据报。次低位为DF，DF=1代表不能分片，DF=0代表可以分片。
• 7、片偏移，13位，指出本数据报中数据相对于最初始数据报中数据的偏移量。
• 8、TTL，生存时间，占8位，用于指明数据报在互联网系统中允许保留的时间(以秒为单位)。
• 9、协议 ，8位；代表上层传输层协议的类型，1代表ICMP，2代表IGMP，6代表TCP，17代表UDP。
• 10、校验和，16位，用于验证数据完整性，计算方法为，首先将校验和位置零，然后将每16位二进制反码求和即为校验和，最后写入校验和位置。
• 11、源IP地址和目的IP地址
• 12、IP选项，不常用。