TCP/IP 组包过程

TCP/IP四层模型如下：

应用层数据需要经过TCP/IP每一层处理之后才能通过网络传输到目的端，每一层上都使用该层的协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）彼此交换信息。

上层数据在传输层添加TCP报头后得到的PDU被称为Segment（数据段）；数据段被传递给网络层，网络层添加IP报头得到的PDU被称为Packet（数据包）；数据包被传递到数据链路层，封装数据链路层报头得到的PDU被称为Frame（数据帧）；最后，帧被转换为比特，通过网络介质传输。这种协议栈逐层向下传递数据，并添加报头和报尾的过程称为封装。

传输层头部

TCP头部

 

 

1）源端口和目的端口：用于寻找发端和收端的应用程序。这两个值加上IP首部的源端IP和目的端IP唯一确定一个TCP连接；

2）序号（Seq）：标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它标识在这个报文段中的第一个数据字节的序号。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个字节进行计数。序号是32bit的无符号数，序号到达2的32次方减一后又从0开始。SYN标志消耗一个序号；

3）确认序号（ACK）：如果上次成功收到数据字节序号加一。只有ACK标志为1时确认序号才有效，ACK = Seq + 1；

4）数据偏移：标识该TCP头部有多少个32bit（4字节），4比特最大表示15，TCP头部最长为60字节；

5）窗口：TCP流量控制的手段，告诉对方，我的TCP接收端缓冲区还能容纳多少个字节，这样对方能控制发送数据的速度；

6）校验和：由发送端填充，接收端对TCP报文执行CRC算法，以检验TCP报文段是否损毁。不仅校验头部，还包括数据部分；

7）紧急指针：也称为紧急偏移。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段的值相加表示最后一个紧急指针的下一字节的序号。是相对于当前序号的偏移。紧急指针

是发送端向接收端发送紧急数据的方法；

8）六个标志位:

• a）URG：表示紧急指针是否有效；
• b）ACK：表示确认号是否有效，携带ACK标志的数据报文段为确认报文段；
• c）PSH：提示接收端的应用程序应该立即从TCP接受缓冲区中读走数据，为接收后面数据腾出空间；
• d）RST：表示要求对方重新建立连接，携带RST标志位的TCP报文段称为复位报文段；
• e）SYN： 表示请求建立一个连接，携带SYN标志的TCP报文段称为同步报文段；
• f）FIN：通知对方本端要关闭了，带FIN标志的TCP报文段称为结束报文段；

9）TCP头部选项：头部选项是一个可变长的信息，这部分最多包含40个字节（前面20字节是固定的）

头部选项的实际运用（一般包含在三次握手中）

• a）最大报文传输段（Maxinum Segment Size——MSS）
• b）窗口扩大选项（window scaling）
• c）选择确认选项（Selective Acknowledgements——SACK）
• d）NOP

TCP在三次握手建立连接过程中，会在SYN报文中使用MSS（Maximum Segment Size）选项功能，协商交互双方能够接收的最大段长MSS值。

UDP头部

UDP首部有8个字节，由4个字段构成，每个字段都是两个字节，

• 1.源端口： 源端口号，需要对方回信时选用，不需要时全部置0.
• 2.目的端口：目的端口号，在终点交付报文的时候需要用到。
• 3.长度：UDP的数据报的长度（包括首部和数据）其最小值为8（只有首部）
• 4.校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错，有错则丢弃。该字段是可选的，当源主机不想计算校验和，则直接令该字段全为0.

如果接收方UDP发现收到的报文中的目的端口号不正确（不存在对应端口号的应用进程0,），就丢弃该报文，并由ICMP发送“端口不可达”差错报文给对方。

在计算校验和的时候，需要在UDP数据报之前增加12字节的伪首部，伪首部并不是UDP真正的首部。只是在计算校验和，临时添加在UDP数据报的前面，得到一个临时的UDP数据报。校验和就是按照这个临时的UDP数据报计算的。伪首部既不向下传送也不向上递交，而仅仅是为了计算校验和。这样的校验和，既检查了UDP数据报，又对IP数据报的源IP地址和目的IP地址进行了检验。

网络层

IPv4头部

（1）版本号：长度4bit，标识目前采用的IP协议的版本号，一般的值0100（IPv4），0110（IPv6）

（2）首部长度：长度4bit，这个字段的作用是为了描述IP头部的长度，IP头部长度是可变的（最常用的是红框中的部分，一共占20字节），单位是word

（3）服务类型(Type Of Service，TOS)：3位优先权字段（现已被忽略）+4位TOS字段+1位保留字段（须为0）。4位TOS字段分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，其中最多有一个置为1。应用程序根据实际需要来设置 TOS值，如ssh和telnet这样的登录程序需要的是最小延时的服务，文件传输ftp需要的是最大吞吐量的服务
（4）总长度：指整个IP数据报的长度（即：IP数据报中首部和数据的总和的长度），占16位，单位为字节，故IP数据报的最大长度为65535字节（2的16次方）。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分片数据报的长度远远没有达到最大值。

下来的3个字段则描述如何实现分片：

（5）标识：唯一地标识主机发送的每一个数据报，其初始值是随机的，每发送一个数据报其值就加1。同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。

（6）标志：位1保留，位2表禁止分片(DF)，若设置了此位，IP模块将不对数据报进行分片，在此情况下若IP数据报超过MTU，IP模块将丢弃数据报并返回一个ICMP差错报文；位3标识分片(MF)，表示后面还有若干个数据报，除了数据报的最后一个分片，其他分片都要把它设置为1。

（7）片偏移：分片相对原始IP数据报数据部分的偏移。实际的偏移值为该值左移3位后得到的，所以除了最后一个IP数据报分片外，每个IP分片的数据部分的长度都必须是8的整数倍。

（8）生成时间TTL：数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。TTL值被发送端设置，常设置为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值为0时，路由器就将该数据包丢弃，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL可以防止数据报陷入路由循环。

（9）协议：区分IP协议上的上层协议。在Linux系统的/etc/protocols文件中定义了所有上层协议对应的协议字段，ICMP为1，TCP为6，UDP为17。

（10）头部校验和： 由发送端填充接收端对其使用CRC算法校验，检查IP数据报头部在传输过程中是否损坏

（11）源和目标地址是32bit，标识了这个IP包的起源和目的地址（源IP地址指的就是发送数据包的那个电脑的IP地址，目的IP地址就是想要发送到的那个电脑的IP地址），要注意除非使用NAT，否则整个传输的过程中，这两个地址不会改变。

（12）目的地址：占32位

（13）选项：可变长的可选信息，最多包含40字节。选项字段很少被使用。可用的IP可选项有：
   a. 记录路由: 记录数据包途径的所有路由的IP，这样可以追踪数据包的传递路径
   b. 时间戳: 记录每个路由器数据报被转发的时间或者时间与IP地址对，这样就可以测量途径路由之间数据报的传输的时间
   c. 松散路由选择: 指定路由器的IP地址列表数据发送过程中必须经过所有的路由器
   d. 严格路由选择: 数据包只能经过被指定的IP地址列表的路由器
   e. 上层协议(如TCP/UDP)的头部信息

在IP协议中，IP协议是面向非连接的，所谓的非连接就是在数据的传递过程中，不需要检测网络是否连通，所以是不可靠的数据报协议。IP协议主要用于在主机之间的寻址和选择数据包路由。

网络接口层

数据链路层

以太网头部 

Ethernet 协议规定 DatalinkHeader 是 14 bytes，分别是6字节目的MAC地址、6字节源MAC地址、2字节数据包类型；

4字节FCS（frame check sequence）是CRC值；