TCP/IP UDP 协议首部及数据进入协议栈封装的过程

数据的封装

• UDP 封装
• TCP 封装
• IP 封装
• 检验和算法

当应用程序用TCP传送数据时,数据被传送入协议栈中,然后逐一通过每一层直到被当作一串比特流送入网络

注: UDP数据TCP数据基本一致. 唯一不同的是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报

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其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息(有时还要增加尾部信息)

注： 4个字节的32bit值的传输次序：首先是0-7字节，其次是8-15, 然后是16-23, 最后是24-31 bit，这种传输次序称作 big-ending（大端）字节序，或者网络字节序

UDP 封装
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• 端口号表示发送进程和接受进程
• UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度, 最小为8(发送一份0字节的UDP数据报)
• UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据

TCP 封装
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• 每个TCP段都有包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程,这两个端加上IP首部的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接。
• 序号用于标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，表示在这个报文段中的第一个数据字节。 如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个序号进行计数。
• 确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号，确认序号应当是上次成功收到的数据字节序号加一，只有ACK标志为1时，确认字段序列才有效。
• 首部长度给出首部中32-bit字的数目。这个值存在是由于选项字段的长度是可变的，这个字段占4bit，所以TCP最多有60字节的首部，没有选项字段，正常长度是20字节。
• 6 个标志位
  
  • URG ，紧急指针（urgent pointer）有效
  • ACK ，确认序号有效
  • PSH ，接收方法应该尽快将这个报文段交给应用层
  • RST ，重新连接
  • SYN ，同步序号用来发起一个连接
  • FIN ， 发端完成任务
• 窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节，窗口大小为16 bit字段，因而窗口大小为65535个字节。
• 检验和覆盖了整个TCP报文段：TCP首部和TCP数据。
• URG标志置1时紧急指针才有效，紧急指针是一个正的偏移量，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，TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
• 最常见的可选字段是最长报文大小，又为 MSS（Maximum Segment Size）。
• TCP 报文段数据部分是可选的

IP 封装
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• 协议版本号，IPv4 IPv6
• 首部长度指的是首部占32-bit字的数目，包括任何选项，最长60字节。
• 服务类型字段包括一个3-bit的优先权子字段（现已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用但必须置0，4 bit 的TOS分别代表：最小时延，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用，如果所有bit置0，就为一般服务。

应用程序	最小时延	最大吞吐量	最高可靠性	最小费用	0x
Telnet/Rlogin	1	0	0	0	0x10
FTP (控制，数据，任意数据块)	1 0 0	0 1 1	0 0 0	0 0 0	0x10 0x08 0x08
TFTP	1	0	0	0	0x10
SMTP (命令阶段, 数据阶段)	1 0	0 1	0 0	0 0	0x10 0x08
DNS (UDP查询，TCP查询，区域传输)	1 0 0	0 0 1	0 0 0	0 0 0	0x10 0x00 0x08

• 总长度字段是整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。总长度也是IP首部中必要的内容，以为一些数据链路需要填充数据以达到最小长度。
• 标识符字段唯一的标识主机发送的每一份数据，通常发一份报文它的值就加1。
• TTL（time-to-live）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数，指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置（通常为32或者64），一旦经过一个处理它的路由器就减1。当该字段为0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。
• 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码，不对首部后面的数据进行计算。ICMP、IGMP、UDP、和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。
• 每一份IP数据报都含有源IP地址和目的IP地址
• 选项
  选项字段都是以 32-bit作为界限，在必要的时候需要对其进行0填充，保证IP首部始终是32-bit的整数倍（首部长度字段所要求）
  
  • 安全和处理限制
  • 记录路径
  • 时间戳
  • 宽松的源站选路
  • 严格的源站选路

检验和算法

• TCP UDP 为了验证还有增加了两个伪首部
• 计算检验和（发送方）
  
  • 首先把检验和字段置0
  • 对检验字段（IP只有首部，TCP/UDP等为首部和数据）中每个16-bit进行二进制反码求和
  • 结果存于检验和字段
• 计算检验和（接受方）
  
  • 由于接受方在计算过程中包含了发送方存在首部的检验和，因此，如果在传输过程中没有发送任何差错，那么接受方计算的结果应该为全1

• C 的简单实现

  unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len)
  {
      unsigned long sum;
  
      for (sum=0; len > 0; len--)
          sum += *addr++;
  
      sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
      sum += (sum >> 16);
  
      return ~sum;
  }