TCP/IP协议簇及IP首部详解

TCP/IP网络

熟悉TCP/IP协议簇及IP协议，有助于我们开发健壮的网络应用程序，快速调试和定位问题。TCP/IP协议簇设计为4层架构，每层提供了不同的网络传输能力，如图所示

1. 链路层(Data Link Layer)：为两个物理线路上连接的相邻节点间提供可靠通信，抽象了物理层线路，使得其称为网络中一条无差错的逻辑线路，如两个以太网网线连接的主机、两台通过RS485连接的设备。一般性交换机工作于链路层，两个通过交换机连接的主机一般也是通过链路层通信即可，也是我们常说的二层交换。对通过1个或多个二层交换机相连的主机，均可被看作逻辑上的“相邻”节点，因为交换机基于链路层做转发，提供了透明的数据传输服务。链路层上的传输单元通常会被称为数据帧(data frame)。
2. 网络层(Network Layer): 提供了跨节点跨网络的通信能力，可实现不同网络系统间主机的通信。路由器工作于网络层，通过路由器实现不同网络间的通信。网络层定义了点对点(即不同宿主机)之间通信方式，包括单播(一对一)、多播(一对多)、广播(一对所有)，最常用的网络层协议即IP协议。网络层的数据传输单元一般称为数据报(Datagram)，如本文讲述的最常用网络协议IP，传输单元称为IP数据报(IP datagram)。
3. 传输层(Transport Layer): 提供端到端的网络通信能力，即不同节点主机上指定端口(进程)应用间的通信。当一个IP数据报被传输到主机A时，被传递到传输层，传输层协议(如TCP、UDP)可通过端口知悉该数据段(segment)属于哪个应用进程，从而正确传递数据到应用。传输层数据被称为数据段或分节(data segment)。关于TCP与UDP，可参见连接5。
4. 应用层(Application Layer): 处于协议簇分层最上层，应用层一般处理业务数据，常见应用层协议有HTTP、Telnet、FTP等。开发人员也可以自定义应用层协议来实现自己的业务需求，如定义个即时通讯软件的消息类型（上线、下线、聊天内容等）。应用层的数据被称为数据包或报文。
5. https://blog.csdn.net/SEU123WW/article/details/124298243?spm=1001.2014.3001.5502https://blog.csdn.net/SEU123WW/article/details/124298243?spm=1001.2014.3001.5502

协议架构中每层对上层提供服务，同时也是下层的服务对象，每一层有对应的协议格式和首部(Header)。一般数据帧在被接收到后的解析过程是自下而上的去Header过程，数据包在发送时是自上而下的加Header过程，如果所示。

IP协议

IP Header

首部(Header)字段含义：

1. Version：占4bits，表示协议版本，目前主流使用IPv4和IPv6，IPv6的协议特性在网络编程专栏单独讲述，本文主要针对IPv4说明。
2. IHL：Internet Header Length，占4bits，IP协议首部长度，单位：32bit(即4字节)，此字段也指示了IP数据报的data起始位置，最小值：5，表明IP首部最小长度20字节。
3. Type of Service：缩写TOS，占8bits，表示服务类型。用于指定IP数据报传输的等级、重要性、时延等特性，具体字段如下图所示。
4. Total length：16bits，IP数据报总长度，包括首部+数据，单位：字节，最大表示65535。
5. Identification：16bits，由发送方填充的字段，用于帮助组装IP数据报的分片。
6. Flag+fragment offset：16bits，表示IP数据报的分片信息，在IP数据报超过其网络的传输长度时，会被分割为多个IP数据报，分片的IP数据报达到接收端后，又会被重新组装为一个完整的IP数据报，如下图所示。
7. Time to Live：TTL，8bits，IP数据报的生存时间，单位：秒。为了避免网络环路或故障导致一个数据报无限的在网络中被转发，每当数据报被传输一次，存活时间就对应递减，当此字段等于0时，该数据就被丢弃。目前IPv4网络一般情况设定此字段为经过的路由转发跃点数，每当IP数据报经过一个转发结点时，递减1，当值为0时，则丢弃，此情况经过最大跳数为255。
8. Protocol：8bits，用于指示上层(即传输层)协议类型。发送端填充，接收端主机可根据此字段决策将该IP数据报用于递送到上层哪个协议类型处理(如TCP、UDP、SCTP)。
9. Header Checksum：首部校验和，用于IP数据报首部数据校验。因为IP数据报首部在传输过程中会变化(如TTL字段)，所以每个转发及节点都需要进行校验和计算和比对，并重新计算填充后转发。用于保护IP首部数据的正确性。
10. Source Address：32bits，源地址，即发送端IP地址。
11. Destination Adress：32bits，目的端IP地址。

注：IP首部长度是4字节整数倍，最小长度20字节。

Type of Service图示:

Flags+Fragment Offset图示: