IP头部结构

IP头部结构图如下

注意：一行32bit为4字节，扩展的时候总是一行一行的拓展，也就是4个字节4个字节的扩展

版本号（Version）：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）

首部长度（Header Length）：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）。

- 首部长度部分占4个bit位，取值范围是0-15，单位为32bit（4个字节）
- 整个IP头部占空间大小=首部长度值*4(单位/字节)

- 所以可变的IP头部的大小最大为60字节：15*4=60

- 一般使用的是5行，每行4字节，5*4=20字节

服务类型（Type of Service）：长度8bit， 按位被如下定义，包括3bit的优先权字段（000-111），4 bit的TOS字段，1 bit未用位但必须置0。

0	1	2	3	4	5	6	7
P	P	P	D	T	C	R	0

PPP：定义包的优先级，取值越大数据越重要

000	Routine（普通）
001	Priority（优先）
010	Immediate（快速）
011	Flash（闪速）
100	Flash Override（疾速）
101	Internetwork Control（网间控制）
110	Network Control（网络控制）
111	Critic（关键）

- 优先级0为默认标记值。
- 优先级1和2给数据业务使用。
- 优先级3给语音控制数据使用。
- 优先级4由视频会议和视频流使用。
- 优先级5推荐给语音数据使用。
- 优先级6和7一般保留给网络控制数据使用，如路由。

注意：在标记数据时，既可以使用数值，也可以使用名称（英文名称）。

TOS字段	0	1
D 时延	普通	延迟尽量小
T 吞吐量	普通	流量尽量大
R 可靠性	普通	可靠性尽量大
M 传输成本	普通	成本尽量小

- TOS字段的4 bit中只能置其中1 bit，可以都为0，如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。
- 举例：
	- 网络视屏要求最小的传输时延。
	- 文件传输要求最大吞吐量
	- 网络管理和路由要求高可靠性。
	- 用户网络新闻要求最小费用。

IP包总长（Total Length）：长度16bit，以字节为单位。

IP包=IP头部+数据
IP包最大长度65535字节

标志（Flags）：长度3bit，是一个3位的控制字段

0	1	2
不使用	DF（Don’t Fragment）位，DF位设为1时表明路由器不能对该上层数据包分段	MF（More Fragments）位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为1

- 保留位：1位
- 不分段位：1位，取值：0（允许数据报分段）、1（数据报不能分段）
- 更多段位：1位，取值：0（数据包后面没有包，该包为最后的包）、1（数据包后面有更多的包）

- 举例：
	- 如果分数据包分两段：
		- 第一个的Flags为：101
		- 第二个Flags就为：100

段偏移量（Fragment Offset）：长度13bit，表示该IP包在该组分片包中位置，接收端靠此来组装还原IP包。

生存时间（TTL）：长度8bit，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路由环路而导致IP包在网络中不停被转发。

协议（Protocol）：长度8bit，标识了上层所使用的协议，以下是比较常用的协议号：

1	ICMP
2	IGMP
6	TCP
17	UDP
88	IGRP
89	OSPF

头部校验（Header Checksum）：长度16bit，用来做IP头部的正确性检测，不包含数据部分。 因为每个路由器要改变TTL的值，所以路由器会为每个通过的数据包重新计算这个值。

源和目标地址（Source and Destination Addresses）：这两个地段都是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。

至此，IP包头基本的20字节已介绍完毕，此后部分属于可选项，不是必须的部分。

可选项（Options）：这是一个可变长的字段，该字段属于可选项，主要用于测试，由起源设备根据需要改写，可选项目包含以下内容：

• 松散源路由（Loose source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，但是允许在相继的两个IP地址之间跳过多个路由器。

• 严格源路由（Strict source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，如果下一跳不在IP地址表中则表示发生错误。

• 路由记录（Record route）：当IP包离开每个路由器的时候记录路由器的出站接口的IP地址。

• 时间戳（Timestamps）：当IP包离开每个路由器的时候记录时间。

• 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头部结构

源端口号：16bit，发送方的端口号。

目标端口号：16bit，接收方的端口号。

32为序列号（sequence number）：保证网络传输数据的顺序性。

32位确认号（acknowledgment number）：用来确认确实有收到相关数据包，内容表示期望收到下一个报文的序列号，用来解决丢包的问题。

头部大小：4bit，标识该tcp头部有多少个32bit字（4字节）因为4位最大能表示15，所以tcp头部最长是60字节

保留位 ：6位 ，预留字段，都为0。

6位标志位：标志位有如下几项

URG	表示紧急指针是否有效
ACK标志	表示确认号是否有效
PSH标志	提示接收端应用程序应该立即从tcp接受缓冲区中读走数据，为接受后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收的数据读走，它们就会一直停留在tcp缓冲区中）
RST标志	表示要求对方重新建立连接。携带RST标志的tcp报文段为复位报文段
SYN标志	表示请求建立一个连接。携带SYN标志的tcp报文段为同步报文段
FIN标志	表示通知对方本端要关闭连接了。携带FIN标志的tcp报文段为结束报文段

16位窗口大小：占16bit，此字段用来进行流量控制，主要用于解决流控拥塞的问题。单位为字节数，这个值是本机期望一次接收的字节数。

16位校验值: 占16bit。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。

16位紧急指针：占16bit，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。

32位Tcp选项：一般包含在三次握手中。

UDP头部结构

UDP的头部相当于TCP的头部来说比较简单，有8个字节（每个字节8bit）构成，8个字节包含4个字段，其中每个字段都是两个字节

源端口号：16bit，发送方的端口号（主机的应用程序使用的端口号）。

目标端口号：16bit，接收方的端口号（目的主机的应用程序使用的端口号）。

16位总长度：是指UDP头部和UDP数据加在一起的字节长度，因为UDP头 部长度为8字节，所以该字段的最小值为8。

16位校验和：检测UDP数据报在传输中是否有错，有错则丢弃。

TCP和UDP的区别

通过分析前面的TCP头部和UDP头部，就可以知道：

用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）

• 是无连接的，尽最大可能交付，没有拥塞控制，面向报文（对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分，只是添加 UDP 首部），支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）

• 是面向连接的，提供可靠交付，有流量控制，拥塞控制，提供全双工通信，面向字节流（把应用层传下来的报文看成字节流，把字节流组织成大小不等的数据块），每一条 TCP 连接只能是点对点的（一对一）。

MAC地址、IP地址、端口号

在利用TCP/IP协议族进行通信的时候，有三个比较关键的确认身份的信息：MAC地址、IP地址和端口号。

在OSI 模型中，第三层网络层负责 IP 地址，第二层数据链路层则负责 MAC 地址，因此一个主机会有一个 MAC 地址，而每个网络会有一个专属于它的 IP 地址。

MAC地址

• 在数据链路层包裹在以太网头部中的，它主要用来识别同一个链路中的不同计算机。
• MAC地址即网卡号，每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的 MAC 地址，长度是 48 个二进制位，通常用 12 个十六进制数表示。

IP地址

• IP地址是由网络地址和主机地址组成
• 在网络层的IP头部里，用于识别网络中互联的主机和子网（例如：路由器连接外网，同一个路由器下的所有设备组成子网），通过网络地址确认所在的子网，在子网内部通过MAC地址确认主机地址。

端口号

• 在传输层包含在TCP/UDP头部中的，用于识别应用程序。

• 一台主机上能运行多个程序，那么接收到的消息到底是哪个程序的呢？就需要端口号来确认。

• 端口号有两种：

  • 固定的端口号：是形如http，telnet，ftp等广为使用的应用协议所使用的端口号是固定的
  • 动态分配的端口号：这个时候服务端要确定监听端口号，接受服务的客户端没必要确定端口号
  • 端口号由传输层协议决定，因此不同传输协议可以使用相同的端口号，所以TCP和UDP可以使用同一个端口号

数据传输过程图解