TCP/IP 协议簇的逐层封装

在使用 TCP 协议的网络程序中，用户数据从产生到从网卡发出去一般要经过如下的逐层封装过程：



从下往上看：

1）链路层通过加固定长度的首部、尾部来封装 IP 数据报(Datagram) 产生以太网帧(Frame)。 其中首部存在对封装数据的标识：是 IP(0x0800，例如本例) 、ARP(0x0806) 还是 RARP(0x0835)。

2）网络层通过加 IP首部来封装 TCP 段(Segment) 产生 IP 数据报。 其中首部存在对封装数据的标识：是 ICMP(0x01)、IGMP(0x02)、TCP(0x06，例如本例)还是 UDP(0x11)。

3）传输层通过加首部来封装应用数据产生 TCP 段。其中TCP首部存在对封装数据的标识：端口号，来标识是那个应用程序产生的数据。
4）按这种处理逻辑，在应用层，对于我们要处理的应用数据理所当然的加上固定长度的首部，首部中同样含有某些标识，标识些什么呢？按经验，一般会标识本次数据的业务意义，在程序中一般处理为业务集合(枚举型)的某个元素；如果是 TCP应用(本例) 还可能包括应用数据总体长度。

Ethernet、Tcp、Udp 等协议的数据包格式
TCP/IP协议是一个比较复杂的协议集，有很多专业书籍介绍。在此，我仅介绍其与编程密切相关的部分：以太网上 TCP/IP 协议的分层结构及其报文格式。我们知道TCP/IP 协议采用分层结构，其分层模型及协议如下表：



协议采用分层结构，因此，数据报文也采用分层封装的方法。下面以应用最广泛的以太网为例说明其数据报文分层封装，如下图所示：



任何通讯协议都有独特的报文格式，TCP/IP 协议也不例外。对于通讯协议编程，我们首先要清楚其报文格式。由于TCP/IP 协议采用分层模型，各层都有专用的报头，以下就简单介绍以太网下 TCP/IP 各层报文格式。



8 字节的前导用于帧同步，CRC 域用于帧校验。这些用户不必关心其由网卡芯片自动添加。目的地址和源地址是指网卡的物理地址，即 MAC 地址，具有唯一性。帧类型或协议类型是指数据包的高级协议，如 0x0806 表示 ARP 协议，0x0800 表示 IP 协议等。之所以要把数据组合成以帧为单位传送，是为了在出错时，可只将有错的帧重发，而不必将全部数据重新发送，从而提高了效率。注：数据以帧为单位进行发送，若某一帧有差错，以后就重传这个出错的帧。一个帧要有帧界限，接收端在收到比特流后，能够依据帧界限正确知道哪些比特构成一个帧。接收端找到帧定界符并确定帧的准确位置，就是完成了帧同步。



硬件类型：指明了发送方想知道的硬件接口类型，以太网的值为1；

协议类型：指明了发送方提供的高层协议类型，IP为0800（16进制）；

硬件地址长度和协议长度：指明了硬件地址和高层协议地址的长度，这样ARP报文就可以在任意硬件和任意协议的网络中使用；

操作类型：用来表示这个报文的类型，ARP请求为1，ARP响应为2，RARP请求为3，RARP响应为4；

发送方硬件地址（0-3字节）：源主机硬件地址的前3个字节；

发送方硬件地址（4-5字节）：源主机硬件地址的后3个字节；

发送方IP地址（0-1字节）：源主机硬件地址的前2个字节；

发送方IP地址（2-3字节）：源主机硬件地址的后2个字节；

目标硬件地址（0-1字节）：目的主机硬件地址的前2个字节；

目标硬件地址（2-5字节）：目的主机硬件地址的后4个字节；
目标IP地址（0-3字节）：目的主机的IP地址。

IP 数据报头格式如下图：



版本号（Version）：长度4比特。标识目前采用的IP协议的版本号。一般的值为0100（IPv4），0110（IPv6）

IP包头长度（Header Length）：长度4比特。描述IP包头的长度。因为在IP包头中有变长的可选部分。该部分占4个bit位，单位为32bit（4个字节），即本区域值= IP头部长度（单位为bit）/(8*4)，因此，一个IP包头的长度最长为“1111”，即15*4＝60个字节。IP包头最小长度为20字节。

服务类型（Type of Service）：长度8比特。这八位被分成如下定义，其中PPP三位组合使用：PPP
DTRC0

PPP：定义包的优先级，取值越大数据越重要

000 普通 (Routine)

001 优先的 (Priority)

010 立即的发送 (Immediate)

011 闪电式的 (Flash)

100 比闪电还闪电式的 (Flash Override)

101 CRI/TIC/ECP(找不到这个词的翻译)

110 网间控制 (Internetwork Control)

111 网络控制 (Network Control)

D 时延: 0:普通 1:延迟尽量小

T
吞吐量: 0:普通 1:流量尽量大

R 可靠性: 0:普通 1:可靠性尽量大

M 传输成本: 0:普通 1:成本尽量小

0
最后一位被保留，恒定为0

IP包总长（Total Length）：长度16比特。
以字节为单位计算的IP包的长度 (包括头部和数据)，所以IP包最大长度65535字节。

标识符（Identifier）:长度16比特。该字段和Flags和Fragment Offest字段联合使用，对较大的上层数据包进行分段（fragment）操作。路由器将一个包拆分后，所有拆分开的小包被标记相同的值，以便目的端设备能够区分哪个包属于被拆分开的包的一部分。

标记（Flags）：长度3比特。该字段第一位不使用。第二位是DF（Don't Fragment）位，DF位设为1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位是MF（More Fragments）位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为1。

片偏移（Fragment Offset）：长度13比特。表示该IP包在该组分片包中位置，接收端靠此来组装还原IP包。

生存时间（TTL）：长度8比特。当IP包进行传送时，先会对该字段赋予某个特定的值。当IP包经过每一个沿途的路由器的时候，每个沿途的路由器会将IP包的TTL值减少1。如果TTL减少为0，则该IP包会被丢弃。这个字段可以防止由于路由环路而导致IP包在网络中不停被转发。

协议（Protocol）：长度8比特。标识了上层所使用的协议。

以下是比较常用的协议号：

1 ICMP

2 IGMP

6 TCP

17 UDP

88 IGRP

89 OSPF

头部校验（Header
Checksum）：长度16位。用来做IP头部的正确性检测，但不包含数据部分。 因为每个路由器要改变TTL的值,所以路由器会为每个通过的数据包重新计算这个值。

起源和目标地址（Source and Destination Addresses）：这两个地段都是32比特。标识了这个IP包的起源和目标地址。要注意除非使用NAT，否则整个传输的过程中，这两个地址不会改变。

至此，IP包头基本的20字节已介绍完毕，此后部分属于可选项，不是必须的部分。

可选项（Options）：这是一个可变长的字段。该字段属于可选项，主要用于测试，由起源设备根据需要改写。可选项目包含以下内容：

松散源路由（Loose source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，但是允许在相继的两个IP地址之间跳过多个路由器。

严格源路由（Strict source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，如果下一跳不在IP地址表中则表示发生错误。

路由记录（Record route）：当IP包离开每个路由器的时候记录路由器的出站接口的IP地址。

时间戳（Timestamps）：当IP包离开每个路由器的时候记录时间。

填充（Padding）：因为IP包头长度（Header Length）部分的单位为32bit，所以IP包头的长度必须为32bit的整数倍。因此，在可选项后面，IP协议会填充若干个0，以达到32bit的整数倍。

typedef struct _iphdr //定义IP首部　　
{　　
unsigned char h_lenver; //4位首部长度+4位IP版本号　　
unsigned char tos; //8位服务类型TOS　　
unsigned short total_len; //16位总长度（字节）
unsigned short ident; //16位标识　　
unsigned short frag_and_flags; //3位标志位　　
unsigned char ttl; //8位生存时间 TTL　　
unsigned char proto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)　　
unsigned short checksum; //16位IP首部校验和　
unsigned int sourceIP; //32位源IP地址　　
unsigned int destIP; //32位目的IP地址　　
}IP_HEADER;

我们用单片机实现 TCP/IP 协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此，在此我们不讨论服务类型和标志偏移域，只需填“0” 即可。协议“版本”为 4，“头长度”单位为 32Bit，“总长度”以字节为单位，表示整个 IP 数据报长度。“标识”是数据包的 ID 号，用于识别不同的 IP 数据包。“生存时间” TTL 是个数量及的概念，防止无用数据包一直存在网络中。一般每经过路由器时减一，因此通过 TTL
可以算出数据包到达目的地所经过的路由器个数。“协议”域表示创建该数据包的高级协议类型。如 1 表示 ICMP 协议，6 表示 TCP 协议，17 表示 UDP 协议等。IP 数据包为简化数据转发时间，仅采用头校验的方法，数据正确性由高层协议保证。

ICMP（网间网控制报文协议）协议 应用广泛。在此仅给出最常见的回应请求与应答报文格式， 用户命令 ping 便是利用此报文来测试信宿机的可到达性。 报文格式如下图所示：



类型 0 为回应应答报文，8 为回应请求报文。整个数据包均参与检验。注意 ICMP 封装在 IP 数据包里传送。





TCP 是面向连接的可靠数据传输协议，因此比较复杂，在此仅作简单介绍。“序号”指数据在发送端数据流中的位置。“确认号”指出本机希望下一个接收的字节的序号。与 IP 校验不同的是 TCP，UDP 校验采用伪头标加整个报文一同校验的方法。TCP 协议工作原理另行介绍。