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TCP/IP 数据包格式和端口

TCP/IP
2022-11-22
2095
更新：2022-11-22 19:49:17

## **网络层功能**

OSI 网络层具有以下功能，其中包括

◼ **逻辑寻址**——将数据包从一个网络发送到另一个网络需要逻辑寻址。它有助于区分源系统和目标系统。网络层为来自上层的数据添加报文头，包括发送方和接收方的逻辑地址。网络中的每台主机都必须有一个唯一的地址来确定它所在的位置。该地址通常是从分级系统分配的。

◼ **路由**——由于网络被分成子网并连接到其他网络以进行广域通信，网络使用网关或路由器将数据包路由到它们的最终目的地。它也被称为转发数据包的过程（3 层 PDU）

◼ **路由协议——**路由器使用的一种协议，用于动态了解网络中的地址，以便在路由或转发过程中做出决策。

## IP数据包

IP 数据包由报文头和有效负载组成，如上图所示。

### **IP报文头**

IPv4报文头包括

◼ 包含版本的 4 bits，指定它是 IPv4 还是 IPv6 数据包，

◼ 包含 Internet 报文头长度的 4bits，它是报文头的长度，以 4 字节的倍数表示（例如，5 表示 20 字节）。

◼ 包含服务类型的 8 bits，也称为服务质量 (QoS)，它描述了数据包应具有的优先级，

◼ 16bits包含数据包的字节长度，

◼ 包含识别标签的 16 bits，以帮助从多个片段重建数据包，

◼ 3 bits。第一个包含一个零，然后是一个标志，表示是否允许对数据包进行分段（DF 或不分段），以及一个标志，表示后面是否有更多的数据包碎片（MF 或更多碎片）

◼ 包含片段偏移量的 13bits，该字段用于标识片段在原始数据包中的位置

◼ 包含生存时间 (TTL) 的 8bits，这是数据包在死亡之前允许通过的跳数（路由器、计算机或网络上的设备）（例如，TTL 为 16 的数据包将被在被丢弃之前允许经过 16 个路由器到达目的地），

◼ 包含协议的 8 bits（TCP、UDP、ICMP 等）

◼ 包含报文头校验和的 16 bits，这是一个用于错误检测的数字，

◼ 包含源 IP 地址的 32 bits，

◼ 包含目标地址的 32 bits。

在这 160 bits之后，可以添加不同长度的可选标志，这些标志可以根据使用的协议进行更改，然后添加数据包携带的数据。IP 数据包没有尾部。但是，IP 数据包通常作为以太网帧中的有效载荷承载，以太网帧有自己的报头和报尾。

### IP路由

数据包通过一个或多个路由器和网络从源路由到目的地。IP 路由协议使路由器能够建立一个转发表，将最终目标地址与下一跳地址相关联。路由中使用的各种协议有 BGP（边界网关协议）、IS-IS（中间系统 - 中间系统）、OSPF（开放最短路径优先）和 RIP（路由信息协议）。

IP 路由是在逐跳的基础上完成的。IP 不知道到任何目的地的完整路由（直连除外）。IP 路由提供数据发送到的下一跳路由器的 IP 地址，并且假定下一跳路由器更接近目的地。IP 路由执行以下操作

◼ 在路由表中搜索与完整目标 IP 地址匹配的条目（匹配网络 ID 和主机 ID）。如果找到，则将数据包发送到指示的下一跳路由器或直接连接的接口。

◼ 在路由表中搜索与目标网络 ID 匹配的条目。如果找到，则将数据包发送到指示的下一跳路由器或直接连接的接口。目标网络上的所有主机都可以用这个单一的路由表条目来处理。

◼ 在路由表中搜索标记为“默认”的条目。如果找到，则将数据包发送到指定的下一跳路由器。

如果所有步骤都不起作用，则数据报无法传递。如果无法传递的数据报是在该主机上生成的，则通常会将“主机无法访问”或“网络无法访问”错误返回给生成数据报的应用程序。路由表中的每个条目都有：

◼ 指定应将数据报传递到哪个网络接口进行传输。

◼ 目标 IP 地址。它是主机地址或网络地址，由标志字段指定。具有非零主机 ID 的主机地址标识一台特定主机，而网络地址的主机 ID 为 0 并标识该网络上的所有主机。

◼ 下一跳路由器或直连网络的 IP 地址。下一跳路由器不是最终目的地，但它将数据转发到最终目的地。

◼ 一个标志指定目标 IP 地址是网络地址还是主机地址。另一个标志表示下一跳路由器字段是否真的是下一跳路由器或直接连接的接口。

IP 路由协议使用有效的、无环路的路由加载路由表，并涉及以下功能：

◼ 如果有多个到子网的路由可用，则放置最佳路由。

◼ 从路由表中删除无效路由。

◼ 动态学习和加载路由表以获取到所有子网的路由

◼ 用最佳可用路由快速替换丢失的路由，也称为收敛时间。

◼ 防止路由环路。

每个路由协议都将其路由公布为：

◼ 为每个直接连接到它的子网添加一条路由。

◼ 更新有关所有直接连接和学习邻居路由器的路由。

◼ 添加来自邻居的新路由

### IP寻址

IP地址是一个32位的二进制数，如下所示

**00000100 10000000 00000011 00000001**

它被分成四个8位的chunk，称为octet，用十进制表示，人类可以理解的样式，如4.128.3.1。 一个IP地址由两部分组成

◼ 最左边的位指定网络地址部分，称为网络 ID/网络地址。

◼ 最右边的位指定主机地址组件，称为主机 ID/主机地址。

网络上的主机可以通过 MAC 地址与同一网络中的设备通信，但对于不同的网络，需要路由器来移动数据。每个 LAN 都有一个唯一的网络 ID，该网络上的所有主机都具有相同的网络 ID 但主机 ID 不同。网络 ID 使路由器能够将数据包送到正确的网段。为了确定哪个网络是正确的，路由器查找路由表，该表包含网络地址条目（网络 ID + 所有主机位设置为 0）。每个网络接口都使用唯一的 IP 地址。

### A、B 和 C 类网络

IP 地址被分成几类以适应不同规模的网络

◼ **A 类 (1-126)** - 它支持超大型网络，仅使用第一个八位字节作为网络地址，其余三个八位字节作为主机地址。A 类地址的第一位始终为 0，但表示的最低数字为 00000000（十进制 0），最高数字为 01111111（十进制 127），两者都是保留的，不能用作网络地址。任何以 127 开头的地址都保留用于环回。

◼ **B类（128-191）**——支持中型和大型网络，前两个八位字节为网络地址，后两个八位字节为主机地址。B类地址的前两位是二进制数10；因此，表示的最小数字是 10000000（十进制 128），最大数字是 1011111（十进制 191）。

◼ **C 类 (192-223)** - 它支持小型网络，前三个八位字节用于网络地址，其余一个八位字节用于主机地址。C 类地址的前三位是二进制数 110，因此表示的最低数为 11000000（十进制 192），最高数为 11011111（十进制 223）。

◼ **D类 (224-239)** - 保留用于多播，用于单个站点同时向多个接收者传输数据报。它的前四位是二进制数 1110。

◼ **E类 (240-255)**- 是实验地址，由 IETF 保留用于研究。

每个类开头和末尾的块分别称为网络地址和广播地址。这两个特殊的IP地址是保留的，具体如下:

◼ **网络地址**- 它的所有主机位都设置为 0 以标识网络本身，不能像 46.0.0.0 那样分配是包含主机 46.4.64.21 的网络的网络地址。

◼ **广播地址** - 它的所有主机位都设置为 1，用于向网络上的所有设备发送数据，例如 46.255.255.255 是主机为 46.4.64.21 的网络的广播地址。路由器将在所有接口上转发广播数据包，但通常路由器禁用广播转发。

A、B、C、D、E类IP地址列表汇总为

| **班级** | **前导位** | **开始**  | **结尾**        | **网络位** | **主机位** |
| -------- | ---------- | --------- | --------------- | ---------- | ---------- |
| A        |            | 0.0.0.0   | 127.255.255.255 | 8          | 24         |
| B        | 10         | 128.0.0.0 | 191.255.255.255 | 16         | 16         |
| C        | 110        | 192.0.0.0 | 223.255.255.255 | 24         | 8          |
| D        | 1110       | 224.0.0.0 | 239.255.255.255 |            |            |

Internet Corporation for Assigned Network Numbers (ICANN, www.icann.org) 负责通用 IP 地址分配，ICANN 将区域权限分配给其他合作组织。

## **传输控制协议**

TCP 是一种面向连接的可靠协议。TCP 在传输数据之前必须在两端的用户应用程序之间建立连接（一条虚电路）。TCP 提供的服务运行在两端的主机中，而不是在网络中。因此，TCP 协议管理端到端连接。TCP在RFC 793中定义，完成以下功能:

◼ 将从会话层向下传递的消息分段为多个段

◼ 将序列号添加到每个段以进行排序。

◼ 验证从目的地网络层向上传递的每个段。

◼ 将收到的段重新组装成消息

◼ 将消息向上传递到会话层。

无论端点的位置如何，TCP 都以相同的方式执行其功能。TCP段结构是

TCP 头由 11 个字段组成，其中只有 10 个是必需的。第 11 个字段是可选的，称为“选项”。TCP 头字段的详细信息是:

◼ 源端口（16 bit）——标识发送端口

◼ 目的端口（16 bit）——标识接收端口

◼ 序列号（32 bit）——确保到达数据的正确排序

◼ 确认号（32 bit）——下一个预期的 TCP 八位字节。

◼ 保留（4 bit）——保留供将来使用并设置为零

◼ 标志（8 bit）（或控制位）——包含 8 个 1-bit标志

◼ 窗口（16 bit）——接收方当前愿意接收的字节数

◼ 校验和（16 bit）——用于报头和数据的错误检查

◼ 紧急指针（16 bit）——表示紧急数据结束

◼ 选项（可变 0-320 bit，可被 32 整除）——它的长度由数据偏移字段决定。选项 0 和 1 的长度为单个字节（8 位）。其余选项在第二个字节中表示选项的总长度（以字节表示）。

### **端口及其复用**

TCP 和 UDP 都使用端口多路复用，以便计算机可以运行许多应用程序，如 Web 浏览器、电子邮件客户端软件、Internet VoIP 应用程序（如 Skype）等。多路复用使接收计算机能够知道向哪个应用程序提供数据。

多路复用是通过为应用程序分配不同的端口号并在段中添加此端口号信息以同步发送方和接收方来完成的。来自在网络设备上运行的不同应用程序的数据在发送设备上使用端口号进行多路复用，并在接收设备上再次使用端口号进行解复用。TCP Header 中的两个 16  bit字段，Source port 和 Destination port 标识应用程序在发送设备和接收设备上侦听的端口号。由于端口号是 16  bit字段，因此最大可能值为 65535 ((2^16)-1)。端口号分为三个范围:

◼ 众所周知的端口在 0 – 1023 范围内，由 IANA 分配。

◼ 注册端口在 1024 – 49151 范围内。

◼ 专用端口在 49152 – 65535 范围内。

多路复用依赖于一个称为套接字的概念，它包括

◼ 一个IP地址

◼ 传输协议

◼ 端口号

列出了一些常用的 TCP/IP 应用程序和端口：

| **端口号** | **描述**                            |
| ---------- | ----------------------------------- |
| 20         | FTP——数据                           |
| 21         | FTP – 控制                          |
| 22         | SSH 远程登录协议                    |
| 23         | 远程登录                            |
| 25         | 简单邮件传输协议 (SMTP)             |
| 80         | HTTP                                |
| 109        | POP2                                |
| 110        | POP3                                |
| 115        | 简单文件传输协议 (SFTP)             |
| 119        | Newsgroup (NNTP)                    |
| 137        | NetBIOS 名称服务                    |
| 139        | NetBIOS 数据报服务                  |
| 143        | Interim Mail Access Protocol (IMAP) |
| 150        | NetBIOS 会话服务                    |
| 161        | SNMP                                |
| 179        | 边界网关协议 (BGP)                  |
| 194        | 互联网中继聊天 (IRC)                |
| 389        | 轻型目录访问协议 (LDAP)             |
| 396        | Novell Netware over IP              |
| 443        | HTTPS                               |
| 444        | 简单网络寻呼协议 (SNPP)             |
| 445        | Microsoft-DS                        |
| 546        | DHCP Client                         |
| 547        | DHCP Server                         |

### **TCP 错误恢复、流量控制和数据分段**

**错误恢复**——TCP 通过使用报头中的序列号和确认字段对数据字节进行编号来提供可靠的数据传输或可靠性或错误恢复。TCP 旨在从节点或线路故障中恢复，可能是因为网络将路由表更改传播到所有路由器节点，但 TCP 启动恢复的速度很慢。

TCP 将数据视为字节流。它在逻辑上为每个字节分配一个序列号。TCP 数据包的报文头上写着：“此数据包以字节 379642 开始，包含 200 字节的数据。” 接收方可以检测丢失或错误排序的数据包。TCP 确认已收到的数据并重传丢失的数据。错误恢复是在客户端和服务器之间端到端完成的。例如，服务器向客户端发送 1000 字节的数据，并且在 TCP 报文头中使用序列号 1000。服务器发送另外 1000 字节的序列号为 2000 的数据和另外 1000 字节的序列号为 3000 的数据。接下来，客户端向服务器发送成功接收 3000 字节的确认。确认字段中的 4000 表示要接收的下一个字节。

**使用窗口的流量控制**——TCP通过使用报头中的序列、确认和窗口字段来实现流量控制。窗口字段指定允许在任何时刻未完成的未确认字节的最大数量。窗口从小开始变大，直到出现错误，因此也称为动态窗口。随着实际序列号和确认号随时间增长，该窗口也称为滑动窗口。工作是这样完成的：

◼ 段丢失作为失败的确认警告发送方减慢或停止发送。

◼ 设置较小的窗口大小，因为每个 TCP 确认都包含一个称为窗口大小的字段，它指定接收方 TCP 当前准备接收的字节数。将窗口大小设置为较小的值允许将来处理较少的数据。更具体地说，窗口大小是发送方在收到接收方确认之前允许发送的数据段的数量。较小的窗口大小意味着发送 TCP 必须等待更多的确认才能发送相同数量的数据，因此，这些额外确认造成的时间会减慢数据传输过程。

如果在窗口完成之前收到确认，则新窗口开始并且发送方继续发送数据直到当前窗口完成。窗口机制也称为肯定确认和重传或 PAR。

**数据分段和有序数据传输**——不同的数据链路协议对可以在数据链路层帧内发送的最大传输单元 (MTU) 有不同的限制。因此，MTU 是适合以太网帧数据字段的最大第 3 层数据包的大小，而IP 数据包小于 1500 字节，因此，TCP 将数据分割成更小的块，称为段，通常为 1460 字节块，并为它们分配序列号。接收方的 TCP，重组段并恢复丢失的段。

在传输过程中，可能会乱序接收数据段，因此，接收端的 TCP 通过将数据重组为原始顺序来执行有序数据传输，例如，如果数据段以序列号 1500、3500 和 2500 到达，每个数据段有 1000 字节的数据，接收者可以在不重新传输的情况下重新排序它们。TCP 报文头和数据字段一起称为 TCP 段或 L4 PDU，因为 TCP 是 4 层协议。

### **TCP 连接建立和终止**

连接建立是指初始化序列号和确认字段并商定要使用的端口号的过程。这是一个三次握手过程，连接建立使用 TCP 报文头标志字段中的 2 位，称为 SYN 和 ACK 标志。SYN 表示“同步序列号”，用于初始化序列号，ACK 字段表示“确认字段在此报文头中有效”，用于确认接收到的序列。为了建立连接，两个终端必须同步彼此的初始 TCP 序列号。这种初始交换确保可以恢复丢失的数据。同步的步骤是：

◼ A –> B SYN – 我的序列号是 X

◼ A <– B ACK – 你的序号是X -1；接下来期待 X + 1

◼ A <– B SYN – 我的序列号是 Y

◼ A –> B ACK – 你的序号是Y -1；接下来期待 Y + 1

因为第2步和第3步合并为一条消息，所以称为三次握手。TCP 连接终止是一个四次挥手过程，它使用一个称为 FIN 位的附加标志。（或“完成”）。TCP 建立和终止端点之间的连接，而 UDP 则不会，这取决于连接管理协议：

◼ **面向连接的协议**——一种在数据传输开始之前需要交换消息或在两个端点之间需要预先建立关联的协议

◼ **无连接协议** - 一种不需要交换消息并且不需要在两个端点之间预先建立关联的协议

## **UDP（用户数据报协议）**

UDP 是一种无连接且未确认的协议，它以“最大努力”传输消息而无需检查段的传递。UDP 依赖于上层协议的可靠性。在网络中，广播和单播消息由UDP承载，使用UDP的协议包括TFTP、SNMP、NFS和DNS。UDP 报文头仅包含 4 个字段，其中两个是可选的（突出显示）。

◼ 源端口——调用端口的 ID。

◼ 目的端口——目的端口的 ID。

◼ 长度 — UDP 报头和 UDP 数据的长度。

◼ 校验和——计算出的报文头和数据字段的校验和。

UDP 没有重新排序或恢复机制。但是，UDP 使用端口号作为 TCP 提供数据传输和多路复用，但是 UDP 使用比 TCP 更少的开销和处理字节。因此，使用 UDP 的应用程序应该容忍丢失的数据。VoIP 使用 UDP 作为时间来发现和重新传输丢失的语音数据包增加了太多的延迟。同样，任何 DNS 请求失败都将重试。

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