以太网帧格式 IP数据报格式 TCP数据报格式 MTU MSS

一、以太网帧格式

下图摘自《TCP IP详解卷1：协议(第2版)》第3.2.2节以太网帧格式。

以太网帧有最小和最大尺寸。最小的帧是64字节,要求数据区(有效载荷)长度(无标签)最小为48字节。当有效载荷较小时，填充字节(值为0)被添加到有效载荷尾部，以确保达到最小长度。

传统以太网的最大帧长度是1518字节(包括4字节CRC和14字节头部)。选择这个值出于一种折中：如果一个帧中包括一个错误(接收到不正确的CRC校验)，只需重发1.5kB以修复该问题。另一方面，MTU大小限制为1500字节。为了发送一个更大的消息，则需要多个帧(例如，对于TCP/IP网络常用的较大尺寸64KB，需要至少44个帧，64*1024/1500向上取整)。

二、IP数据报格式

• 4位版本号（version）指定IP协议的版本。对IPv4来说其值是4.
• 4位头部长度（header length）表示该IP头部有多少个32bit（4字节）。4位最大15，所以IP头部最长60字节。
• 8位服务类型（Type Of Service， TOS）包括一个三位的优先权字段（现在已经被忽略），4位的TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位TOS字段分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。最多有一个能置1。
• 16位总长度是指整个IP数据报的长度，以字节为单位，因此IP数据报最大长度是65535字节。由于MTU限制，超过MTU的数据报会被分片传输。
• 16位标识唯一标识主机发送的每一个数据报，同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
• 3位标识字段第一位保留。第二位（Don’t Fragment，DF）表示“禁止分片”。第三位（More Fragment，MF）表示“更多分片”，除了数据报的最后一个分片外，其它分片都要把它置1。
• 13位分片偏移是分片相对于原始IP数据开始处（仅指数据部分）的偏移。实际的偏移值是该值左移3位（乘8）后得到的。由于这个原因，除了最后一个IP分片外，每个IP分片的数据部分的长度必须是8的整数倍。
• 8位生存时间(time to live，TTL)使用“跳数“作为TTL的单位。数据报每经历一个路由器时对应的TTL值就会减 1 ，防止数据报发送在路由器中出现环路，因为数据报在传送的过程中要占用一定的带宽（TTL值为零时路由器将自动丢弃该数据包并向源端发送一个ICMP差错报文）。
• 8位协议用来区分上层协议。ICMP是1，TCP是6，UDP是17。
• 16位头部校验和由发送端填充，接收端对其IP头部使用CRC进行循环冗余检验。
• IPv4最后一个选项字段是可变长的可选信息，最多40字节。包括记录路由、时间戳、松散源路由选择和严格源路由选择。

三、TCP数据报格式

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，数据在传输前要建立连接，传输完毕后还要断开连接。

客户端在收发数据前要使用 connect() 函数和服务器建立连接。建立连接的目的是保证IP地址、端口、物理链路等正确无误，为数据的传输开辟通道。

下面为TCP数据报的结构：

• 序号：Seq（Sequence Number）序号占32位，用来标识从计算机A发送到计算机B的数据包的序号，计算机发送数据时对此进行标记。
• 确认号：Ack（Acknowledge Number）确认号占32位，客户端和服务器端都可以发送，Ack = Seq + 1。
• 首部长度／数据偏移：4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
• 标志位：每个标志位占用1Bit，共有6个，分别为 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具体含义如下：
  • URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
  • ACK：表示确认号Ack有效。
  • PSH：表示有 DATA数据传输，接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
  • RST：重置连接。
  • SYN：建立一个新连接。
  • FIN：断开一个连接。
• 窗口：滑动窗口RWND16位滑动窗口大小，代表其socket接收缓冲区大小的字节数，最大65535。
• 校验和：奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
• 紧急指针：只有当 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32位序号字段中的值相加表示紧急数据的下一字节的序号。 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。
• 选项和填充：最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
• 数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

对标志位英文字母缩写的总结：Seq 是 Sequence 的缩写，表示序列；Ack(ACK) 是 Acknowledge 的缩写，表示确认；SYN 是 Synchronous 的缩写，愿意是“同步的”，这里表示建立同步连接；FIN 是 Finish 的缩写，表示完成。

四、MTU MSS

传统上，以太网的有效载荷一直是1500字节，它代表以太网的MTU。
目前，大多数系统为以太网使用1500字节的MTU，虽然在必要时它也可设置为一个较小的值。
有效载荷有时被填充(添加)数个0，以确保帧总体长度符合最小长度要求。

• MTU： Maximum Transmit Unit，最大传输单元。即物理接口（数据链路层）提供给其上层（通常是IP层）最大一次传输数据的大小；以普遍使用的以太网接口为例，缺省MTU=1500 Byte，这是以太网接口对IP层的约束，如果IP层有<=1500 byte 需要发送，只需要一个IP包就可以完成发送任务；如果IP层有> 1500 byte 数据需要发送，需要分片才能完成发送，这些分片有一个共同点，即IP Header ID相同。

• MSS：Maximum Segment Size ，最大段大小。TCP提交给IP层最大分段大小，不包含TCP Header和 TCP Option，只包含TCP Payload（有效负载），MSS是TCP用来限制application层最大的发送字节数。如果底层物理接口MTU= 1500 byte，则 MSS = 1500- 20(IP Header) -20 (TCP Header) = 1460 byte，如果application 有2000 byte发送，需要两个segment才可以完成发送，第一个TCP segment = 1460，第二个TCP segment = 540。