tcp报文结构(tcp的报文结构)

第五层——应用层：应用层是体系结构中最高的。直接为用户的应用进程提供服务。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议等等。第四层——运输层：运输层负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用，就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。分用，就是把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。运输层主要使用以下两种协议：1、传输控制协议TCP面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。2、用户数据包协议UDP无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。第三层——网络层：网络层主要包括以下两个任务：1、负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层残生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。2、选中合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。第二层——数据链路层：数据链路层常简称为链路层，我们知道，两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，也就是说，在两个相邻结点之间传送数据是直接传送的(点对点)，这时就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(framing)，在两个相邻结点之间的链路上“透明”地传送帧中的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。典型的帧长是几百字节到一千多字节。注：”透明”是一个很重要的术语。它表示，某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。”在数据链路层透明传送数据”表示无轮什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层。因此，对所传送的数据来说，这些数据就“看不见”数据链路层。或者说，数据链路层对这些数据来说是透明的。在接收数据时，控制信息使接收端能知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交给网络层。控制信息还使接收端能检测到所收到的帧中有无差错。如发现有差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以免继续传送下去白白浪费网络资源。如需改正错误，就由运输层的TCP协议来完成。第一层——物理层：物理层在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。
从协议分层模型方面来讲，tcp/ip 由四个层次组成：网络接口层、网间网层、传输层、应用层。其中：网络接口层这是tcp/ip软件的最低层，负责接收ip数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出ip数据报，交给ip层。网间网层负责相邻计算机之间的通信。传输层提供应用程序间的通信。应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输 访问、远程登录等。
分7层 应用层/表示层/会话层/传输层/网络层/数据链路层/网络接口层/物理层

TCP报文段分为首部和数据两部分。 TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4N字节是根据需要而增加的选项（N是整数）。因此TCP首部的最小长度是20字节。首部固定部分各字段的意义如下：源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。序号：占4个字节。序号使用mod运算。TCP是面向字节流的，在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。故该字段也叫做“报文段序号”。确认序号：占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认序号=N,则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。数据偏移：占4位，表示TCP报文段的首部长度。注意，“数据偏移”的单位是32位字（即以4字节长的字为计算单位）。故TCP首部的最大长度为60字节。保留：占6位，保留为今后使用，目前置为0；紧急URG：当URG=1，表明紧急指针字段有效。这时发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。确认ACK：当ACK=1时，确认字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。推送PSH：接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。复位RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。同步SYN：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。故SYN置为1，就表示这是一个连接请求和连接接收报文。终止FIN：用来释放连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。窗口：占2个字节。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。检验和：占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP数据报一样，在计算检验和时，也要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样，但要将伪首部第四个字段中的17 改为6（协议号），把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。 紧急指针：占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。

简述TCP/IP协议的分层结构是数据链路层 、网络层、传输层、应用层。1.数据链路层：数据链路层是物理传输通道，可使用多种传输介质传输，可建立在任何物理传输网上。比如光纤、双绞线等。2.网络层：其主要功能是要完成网络中主机间“分组”(Packet)的传输。含有4个协议：（1）网际协议IP负责分组数据的传输，各个IP数据之间是相互独立的。（2）互联网控制报文协议ICMPIP层内特殊的报文机制，起控制作用，能发送报告差错或提供有关意外情况的信息，因为ICMP的数据报通过IP送出因此功能上属于网络的第3层。3）地址转换协议ARP为了让差错或意外情况的信息能在物理网上传送到目的地，必须知道彼此的物理地址，这样就存在把互联网地址（是32位的IP地址来标识，是一种逻辑地址）转换为物理地址的要求，这就需要在网络层上有一组服务（协议）能将IP地址转换为相应的网络地址，这组协议就是APP.（可以把互联网地址看成是外识别地址和物理地址看成是内识别地址）（4）反向地址转换协议RARPRARP用于特殊情况，当只有自己的物理地址没有IP地址时，可通过RARP获得IP地址，如果遇到断电或重启状态下，开机后还必需再使用RARP重新获取IP地址，广泛用于获取无盘工作站的IP地址。3.传输层：其主要任务是向上一层提供可靠的端到端（End-to-End）服务，确保“报文”无差错、有序、不丢失、无重复地传输。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中最关键的一层。包含以下2个重要协议：（1）TCP :TCP是TCP/IP体系中的传输层协议处于第4层传输层，负责数据的可靠传输（“三次握手”-建立连接、数据传送、关闭连接）。（2）UDP:和TCP相比，数据传输的可靠性低，适合少量的可靠性要求不高的数据传输。4.应用层：应用层确定进程间通信的性质，以满足用户的需要。在应用层提供了多个常用协议。①Telnet(Remote Login)：远程登录②FTP(File Transfer Protocol)：文件传输协议③SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)：简单邮件传输协议④POP3（Post Office Protocol 3）：第三代邮局协议⑤HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）：超文本传输协议⑥NNTP（Network News Transfer Protocol）：网络新闻传输协议

UDP包 UDP报头由4个域组成，其中每个域各占用2个字节，具体如下：源端口号目标端口号数据报长度校验值UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP协议正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方（可以是客户端或服务器端）将UDP数据报通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口；而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP报头使用两个字节存放端口号，所以端口号的有效范围是从0到65535。一般来说，大于49151的端口号都代表动态端口。TCP包每个tcp都包含源端口号和目标端口号，加上ip头中的源ip和目的ip，唯一确定一个tcp连接。序号用来标识从tcp发端向tcp收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号isn（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节，序号为isn+1，因为syn占用了一个序号。IP包IPV4报头有12个必需的字段和可选IP选项字段，位于要发送的数据之前。如果使用IP层已有的库或其他组件，一般不必考虑报头中的大多数字段，但程序代码需要提供源端和目的端地址。1、版本（4比特）IP协议版本已经经过多次修订，1981年的RFC0791描述了IPV4，RCF2460中介绍了IPV6。2、报头长度（4比特）报头长度是报头数据的长度，以4字节表示，也就是以32字节为单位。报头长度是可变的。必需的字段使用20字节（报头长度为5，IP选项字段最多有40个附加字节（报头长度为15）。3、服务类型（8比特）该字段给出发送进程建议路由器如何处理报片的方法。可选择最大可靠性、最小延迟、最大吞吐量和最小开销。路由器可以忽略这部分。4、数据报长度（16比特）该字段是报头长度和数据字节的总和，以字节为单位。最大长度为65535字节。5、标识符（16比特）原是数据的主机为数据报分配一个唯一的数据报标识符。在数据报传向目的地址时，如果路由器将数据报分为报片，那么每个报片都有相同的数据标识符。6、标志（3比特）标志字段中有2为与报片有关。位0：未用。位1：不是报片。如果这位是1，则路由器就不会把数据报分片。路由器会尽可能把数据报传给可一次接收整个数据报的网络；否则，路由器会放弃数据报，并返回 差错报文，表示目的地址不可达。IP标准要求主机可以接收576字节以内的数据报，因此，如果想把数据报传给未知的主机，并想确认数据报没有因为大小的原 因而被放弃，那么就使用少于或等于576字节的数据。位2：更多的报片。如果该位为1，则数据报是一个报片，但不是该分片数据报的最后一个报片；如果该位为0，则数据报没有分片，或者是最后一个报片。7、报片偏移（13比特）该字段标识报片在分片数据报中的位置。其值以8字节为单位，最大为8191字节，对应65528字节的偏移。例如，将要发送的1024字节分为576和424字节两个报片。首片的偏移是0，第二片的偏移是72（因为72×8＝576）。8、生存时间（8比特）如果数据报在合理时间内没有到达目的地，则网络就会放弃它。生存时间字段确定放弃数据报的时间。生存时间表示数据报剩余的时间，每个路由器都会将其值减一，或递减需要数理和传递数据报的时间。实际上，路由器处理和传递数据报的时间一般都小于1S，因此该值没有测量时间，而是测量路由器之间跳跃次数或网段的个数。发送数据报的计算机设置初始生存时间。9、协议（8比特）该字段指定数据报的数据部分所使用的协议，因此IP层知道将接收到的数据报传向何处。TCP协议为6，UDP协议为17。10、报头检验和（16比特）该字端使数据报的接收方只需要检验IP报头中的错误，而不校验数据区的内容或报文。校验和由报头中的数值计算而得，报头校验和假设为0，以太网帧和TCP报文段以及UDP数据报中的可选项都需要进行报文检错。11、源IP地址（32比特）表示数据报的发送方。12、目的IP地址（32比特） 表示数据报的目的地。
TCP报文段首部（20个字节） 源端口和目标端口：各占2个字节，16比特的端标语加上32比特的IP地址，共同构成相当于传输层办事接见点的地址，即“插口”；这些端口可用来将若干高层和谈向下复用；序号字段和确认序号字段：序号：占4个字节，是本报文段所发送的数据项目组第一个字节的序号。在TCP传送的数据流中，每一个字节都有一个序号。例如，一报文段的序号为300，而起数据供100字节，则下一个报文段的序号就是400；确认序号：占4字节，是期望收到对方下次发送的数据的第一个字节的序号，也就是期望收到的下一个报文段的首部中的序号；因为序号字段有32比特长，可以对4GB的数据进行编号，如许就可包管当序号反复应用时，旧序号的数据早已在收集中消散了；数据偏移字段数据偏移：占4比特，默示数据开端的处所离TCP报文段的肇端处有多远。这实际上就是TCP报文段首部的长度。因为首部长度不固定，是以数据偏移字段是须要的。保存字段： 6比特，供往后应用，今朝置为0。6个比特的把握字段紧急比特URGent：当URG=1时，注解此报文应尽快传送，而不要按本来的列队次序来传送。与“紧急指针”字段共同应用，紧急指针指出在本报文段中的紧急数据的最后一个字节的序号，使接管方可以知道紧急数据共有多长；确认比特ACK：只有当ACK=1时，确认序号字段才有意义；急迫比特PSH：当PSH=1时，注解恳求远地TCP将本报文段立即传送给其应用层，而不要比及全部缓存都填满了之后再向上交付。复位比特ReSeT：当RST=1时，注解呈现严重错误，必须开释连接，然后再重建传输连接。复位比特还用来拒绝一个不法的报文段或拒绝打开一个连接；同步比特SYN：在建树连接时应用，当SYN=1而ACK=0时，注解这是一个连接恳求报文段。对方若赞成建树连接，在发还的报文段中使SYN=1和ACK=1。是以，SYN=1默示这是一个连接恳求或毗邻接管报文，而ACK的值用来区分是哪一种报文；终止比特FINal：用来开释一个连接，当FIN=1时，注解欲发送的字节串已经发完，并请求开释传输连接；窗口字段窗口Window：占2字节，默示报文段发送方的接管窗口，单位为字节。此窗口告诉对方，“在未收到我的确认时，你可以或许发送的数据的字节数至多是此窗口的大小。”通知窗口advertised window：接管端按照其接管才能承诺的窗口值，是来自接管端的流量把握。接管端将通知窗口的值放在TCP报文的首部中，传送给对方。拥塞窗口congestion window：是发送端按照收集拥塞景象得出的窗口值，是来自发送端的流量把握。查验和覆盖了全部的TCP报文段：TCP首部和TCP数据。这是一个强迫性的字段，由发端策画和存储，由收端进行验证。选项字段容许每台主机设定可以或许接管的最大TCP载荷才能（缺省536字节） 。TCP的数据编号与确认数据流、报文段和序号TCP通信的动作切割：按照合适传输的大小对数据流进行切割最大报文段长度<64Kbytes凡是：MTU－（IP头＋TCP头）答复复兴：用报文段恢答复复兴始数据流的字节次序序号：排序、查错及数据流答复复兴报文序号根据数据流中的字节序号（流序号）报文序号为报文段中第一字节的流序号如：流序号＝x，长度＝L的报文段，则：报文的序号为x，下一报文序号为x＋L序号特点报文的次序关系数据流的地位，更便于流的答复复兴需较大的序号空间（32bit，4Gbyte）例如：在一个报文中，序号为300，而报文中数占领100字节。下一个报文符，其序号为400；UDP报文结构：UDP报文比较简单，由四个字段组成，每个字段2个字节：(1) 源端口 source port(2) 目的端口 destination port(3) 长度 :UDP用户数据报的长度(4) 检验和checksumUDP与TCP比较：相同点：§同一层的协议，基于IP报文基础上不同点：TCP是可靠的，高可用性的协议，但是复杂，需要大量资源的开销 UDP是不可靠，但是高效的传输协议

目录：以前我也认为TCP是相当底层的东西，我永远不需要去了解它。虽然差不多是这样，但是实际生活中，你依然可能遇见和TCP算法相关的bug，这时候懂一些TCP的知识就至关重要了。（本文也可以引申为，系统调用，操作系统这些都很重要，这个道理适用于很多东西）这里推荐一篇小短文， 人人都应该懂点TCP使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态、读写缓冲区、定时器等。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。TCP服务基于流，源源不断从一端流向另一端，发送端可以逐字节写入，接收端可以逐字节读出，无需分段。需要注意的几点：TCP状态（11种）：eg.以上为TCP三次握手的状态变迁以下为TCP四次挥手的状态变迁服务器通过 listen 系统调用进入LISTEN状态，被动等待客户端连接，也就是所谓的被动打开。一旦监听到SYN（同步报文段）请求，就将该连接放入内核的等待队列，并向客户端发送带SYN的ACK（确认报文段），此时该连接处于SYN_RECVD状态。如果服务器收到客户端返回的ACK，则转到ESTABLISHED状态。这个状态就是连接双方能进行全双工数据传输的状态。而当客户端主动关闭连接时，服务器收到FIN报文，通过返回ACK使连接进入CLOSE_WAIT状态。此状态表示——等待服务器应用程序关闭连接。通常，服务器检测到客户端关闭连接之后，也会立即给客户端发送一个FIN来关闭连接，使连接转移到LAST_ACK状态，等待客户端对最后一个FIN结束报文段的最后一次确认，一旦确认完成，连接就彻底关闭了。客户端通过 connect 系统调用主动与服务器建立连接。此系统调用会首先给服务器发一个SYN，使连接进入SYN_SENT状态。connect 调用可能因为两种原因失败：1. 目标端口不存在（未被任何进程监听）护着该端口被TIME_WAIT状态的连接占用（ 详见后文 ）。2. 连接超时，在超时时间内未收到服务器的ACK。如果 connect 调用失败，则连接返回初始的CLOSED状态，如果调用成功，则转到ESTABLISHED状态。客户端执行主动关闭时，它会向服务器发送一个FIN，连接进入TIME_WAIT_1状态，如果收到服务器的ACK，进入TIME_WAIT_2状态。此时服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生办关闭的状态（详见后文）。此时如果服务器发送FIN关闭连接，则客户端会发送ACK进行确认并进入TIME_WAIT状态。流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。在Linux下有多种实现，比如reno算法，vegas算法和cubic算法等。发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。为了便于讨论，做如下假设：发送的最初执行慢开始，令 cwnd=1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 ...注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd/2，然后重新执行慢开始。在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd/2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。发送端的每个TCP报文都必须得到接收方的应答，才算传输成功。TCP为每个TCP报文段都维护一个重传定时器。发送端在发出一个TCP报文段之后就启动定时器，如果在定时时间类未收到应答，它就将重发该报文段并重置定时器。因为TCP报文段最终在网络层是以IP数据报的形式发送，而IP数据报到达接收端可能是乱序或者重复的。TCP协议会对收到的TCP报文进行重排、整理，确保顺序正确。TCP报文段所携带的应用程序数据按照长度分为两种：交互数据和成块数据对于什么是粘包、拆包问题，我想先举两个简单的应用场景：对于第一种情况，服务端的处理流程可以是这样的：当客户端与服务端的连接建立成功之后，服务端不断读取客户端发送过来的数据，当客户端与服务端连接断开之后，服务端知道已经读完了一条消息，然后进行解码和后续处理...。对于第二种情况，如果按照上面相同的处理逻辑来处理，那就有问题了，我们来看看第二种情况下客户端发送的两条消息递交到服务端有可能出现的情况：第一种情况：服务端一共读到两个数据包，第一个包包含客户端发出的第一条消息的完整信息，第二个包包含客户端发出的第二条消息，那这种情况比较好处理，服务器只需要简单的从网络缓冲区去读就好了，第一次读到第一条消息的完整信息，消费完再从网络缓冲区将第二条完整消息读出来消费。第二种情况：服务端一共就读到一个数据包，这个数据包包含客户端发出的两条消息的完整信息，这个时候基于之前逻辑实现的服务端就蒙了，因为服务端不知道第一条消息从哪儿结束和第二条消息从哪儿开始，这种情况其实是发生了TCP粘包。第三种情况：服务端一共收到了两个数据包，第一个数据包只包含了第一条消息的一部分，第一条消息的后半部分和第二条消息都在第二个数据包中，或者是第一个数据包包含了第一条消息的完整信息和第二条消息的一部分信息，第二个数据包包含了第二条消息的剩下部分，这种情况其实是发送了TCP拆，因为发生了一条消息被拆分在两个包里面发送了，同样上面的服务器逻辑对于这种情况是不好处理的。我们知道tcp是以流动的方式传输数据，传输的最小单位为一个报文段（segment）。tcp Header中有个Options标识位，常见的标识为mss(Maximum Segment Size)指的是，连接层每次传输的数据有个最大限制MTU(Maximum Transmission Unit)，一般是1500比特，超过这个量要分成多个报文段，mss则是这个最大限制减去TCP的header，光是要传输的数据的大小，一般为1460比特。换算成字节，也就是180多字节。tcp为提高性能，发送端会将需要发送的数据发送到缓冲区，等待缓冲区满了之后，再将缓冲中的数据发送到接收方。同理，接收方也有缓冲区这样的机制，来接收数据。发生TCP粘包、拆包主要是由于下面一些原因：既然知道了tcp是无界的数据流，且协议本身无法避免粘包，拆包的发生，那我们只能在应用层数据协议上，加以控制。通常在制定传输数据时，可以使用如下方法：写了一个简单的 golang 版的tcp服务器实例，仅供参考：例子参考和推荐阅读书目：注释：eg.