数据包报文格式（IP包、TCP报头、UDP报头）

一、IP包      

IP协议属于网络层。网络层负责在不同网络之间提供数据传输服务，实现主机之间的通信。主要工作

• 路由选择：网络层负责确定数据包从源主机到目标主机的最佳路径。它使用路由选择算法来确定数据包应该经过哪些节点和链路才能到达目标主机。
• 数据包转发：网络层根据路由选择的结果，将数据包从源主机发送到目标主机。这涉及到数据包的封装、分段、转发和解封装等过程。
• IP地址分配：网络层使用IP地址来唯一标识主机和网络设备。网络层负责为主机分配IP地址，并确保数据包能够正确地传输到目标主机。
• 数据包传输：网络层使用IP协议来处理数据包的传输。IP协议定义了数据包的格式、寻址方式以及路由选择算法等内容，确保数据包能够在网络中正确传输。

在 TCP/IP 协议中，使用 IP 协议传输数据的包被称为 IP 数据包，每个数据包都包含 IP 协议规定的内容。IP 协议规定的这些内容被称为 IP 数据报文（IP Datagram）或者 IP 数据报。

IP 数据报文由首部（称为报头）和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

每个 IP 数据报都以一个 IP 报头开始。源计算机构造这个 IP 报头，而目的计算机利用 IP 报头中封装的信息处理数据。IP 报头中包含大量的信息，如源 IP 地址、目的 IP 地址、数据报长度、IP 版本号等。每个信息都被称为一个字段。

IP 数据报头字段如图所示。

IP 报头的最小长度为 20 字节，上图中每个字段的含义如下：

1) 版本（version）

占 4 位，表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4，即 IPv4。

2) 首部长度（网际报头长度IHL）

占 4 位，可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 字节）。因此，当 IP 的首部长度为 1111 时（即十进制的 15），首部长度就达到 60 字节。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。

数据部分永远在 4 字节的整数倍开始，这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是，长度有时可能不够用，之所以限制长度为 60 字节，是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节（即首部长度为 0101），这时不使用任何选项。

3) 区分服务（tos）

也被称为服务类型，占 8 位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

4) 总长度（totlen）

首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。

5) 标识（identification）

用来标识数据报，占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。

6) 标志（flag）

占 3 位。第一位未使用，其值为 0。第二位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。

7) 片偏移（offsetfrag）

占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍。

8) 生存时间（TTL）

表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。

路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1，则表示这个数据报只能在本局域网中传送。 

9) 协议

表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。

例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。

10) 首部检验和（checksum）

用于校验数据报的首部，占 16 位。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如TTL），所以需要重新校验。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。

11) 源地址

表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。

12) 目的地址

表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。

13) 可选字段

该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。

14) 填充

由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。

15) 数据部分

表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。

二、TCP报文

TCP协议属于传输层。传输层负责提供端到端的数据传输，并确保数据的可靠性和完整性。
因此在TCP链接中，传输层会将应用层的数据进行分片（Segmentation），并添加序号、校验等控制信息，封装到TCP数据包以便在网络中传输

　　TCP报文由首部和数据两部分组成。首部一般由20-60字节（Byte）构成，长度可变。其中前20B格式固定，后40B为可选。

 　　因为，TCP报文还得传给下层网络层，封装成IP包，而一个IP包最大长度为65535，同时IP包首部也包含最少20B，所以一个IP包或TCP包可以包含的数据部分最大长度为65535-20-20=65495B。

注意

一个IP数据包理论上的最大数据量是65535字节，但实际传输中受到MTU的限制，且为了效率和兼容性，通常会使用远小于这个理论最大值的数据包大小
例如：以太网的标准MTU大小通常是1500字节

 　　TCP报文中数据部分是可选的，即TCP报文可以不包含数据（同理IP包也可以不包含数据）。不含数据的TCP报文通常是一些确认和控制信息类的报文，如TCP建立连接时的三次握手和TCP终止时的四次挥手等。

1、源端口号（Source Port）

长度为16位，指明发送数据的进程。

2、目的端口号（Destination Port）

长度为16位，指明目的主机接收数据的进程。

3、序号（Sequence Number）

也称为序列号，长度为32位，序号用来标识从TCP发送端向接入端发送的数据字节流进行编号，可以理解成对字节流的计数。

4、确认号（Acknowledgement Number）

长度为32位，确认号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。确认号只有在ACK标志为1时才有效。

5、首部长度

长度为4位，用于表示TCP报文首部的长度。用4位（bit）表示，十进制值就是[0,15]，一个TCP报文前20个字节是必有的，后40个字节根据情况可能有可能没有。如果TCP报文首部是20个字节，则该位应是20/4=5。

6、保留位（Reserved）

长度为6位，必须是0，它是为将来定义新用途保留的。

7、标志（Code Bits）

长度为6位，在TCP报文中不管是握手还是挥手还是传数据等，这6位标志都很重要。6位从左到右依次为：

URG：紧急标志位，说明紧急指针有效；

ACK：确认标志位，多数情况下空，说明确认序号有效；

PSH：推标志位，置位时表示接收方应立即请求将报文交给应用层；

RST：复位标志，用于重建一个已经混乱的连接；

SYN：同步标志，该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效

FIN：结束标志，带该标志位的数据包用于结束一个TCP会话。

8、窗口大小（Window Size）

长度为16位，TCP流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。

9、检验和（Checksum）

长度为16位，该字段覆盖整个TCP报文端，是个强制性的字段，是由发送端计算和存储，到接收端后，由接收端进行验证。

10、紧急指针（Urgent Pointer）

长度为16位，指向数据中优先部分的最后一个字节，通知接收方紧急数据的长度，该字段在URG标志置位时有效。

11、选项（Options）

长度为0-40B（字节），必须以4B为单位变化，必要时可以填充0。通常包含：最长报文大小（MaximumSegment Size，MSS）、窗口扩大选项、时间戳选项、选择性确认（Selective ACKnowlegement，SACK）等。

12、数据

三、UDP数据段

　　UDP数据段格式比较简单，如下：

　　UDP数据报由首部和数据两部分组成，其中首部只有8B（字节）。

1、源端口号（Source Port）

长度为16位，指明发送数据的进程。

2、目的端口号（Destination Port）

长度为16位，指明目的主机接收数据的进程。

3、长度

长度为16位，该字段值为报头和数据两部分的总字节数。

4、检验和（Checksum）

长度为16位，UDP检验和作用于UDP报头和UDP数据的所有位。由发送端计算和存储，由接收端校验。

5、数据

 

四、tcp/ip 完整的数据包格式

 

五、UDP格式详解