一、以太網(wǎng)鏈路層協(xié)議封裝格式

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上傳輸需要遵循一定的機(jī)制，其中CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制約定了以太網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，兩幀之間需要等待一個(gè)幀間隙時(shí)間（IFG或IPG），為以太網(wǎng)接口提供了幀接收之間的恢復(fù)時(shí)間，該恢復(fù)時(shí)間最小值為傳輸96bit所花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于10M線路，該時(shí)間為9.6uS，100M線路為960nS，1G的線路為96nS。同時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀在傳輸時(shí)還需要有7byte的前導(dǎo)字段和1byte的定界符。因此以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是由以下部分組成的：7byte（前導(dǎo)）＋1byte（定界符）＋以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀＋12byte（IPG）。

在全雙工工作模式下，如果CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制機(jī)制發(fā)現(xiàn)傳輸沖突時(shí)，則會(huì)放棄當(dāng)前幀發(fā)送，改為發(fā)送一個(gè)48比特的噪聲幀。

其中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀限制為最小長(zhǎng)度為64byte，最大長(zhǎng)度為1518byte，其格式為：6byte（目的MAC地址）＋6byte（源MAC地址）＋2byte（類型字段）＋數(shù)據(jù)字段＋4byte（FCS校驗(yàn)字段）。其中幀類型字段標(biāo)識(shí)其后的數(shù)據(jù)類型。

這里值得注意的是區(qū)分Ethernet II幀格式和802.3幀格式的不同，我們有時(shí)可能會(huì)混用了這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。

Ethernet II幀是最常見(jiàn)的一種以太網(wǎng)幀格式，也是今天以太網(wǎng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，由DEC，Intel和Xerox在1982年公布標(biāo)準(zhǔn)，Ethernet II可以支持TCP/IP，Novell IPX/SPX，Apple Talk Phase I等協(xié)議，其比較常見(jiàn)的類型字段為：0X0800（IP幀），0X0806（ARP請(qǐng)求/應(yīng)答幀），0X8035（PARP請(qǐng)求/應(yīng)答幀），0X8137（Novell IPX），0X809b（Apple Talk）。RFC 894定義了IP報(bào)文在Ethernet II上的封裝格式。

802.3幀將Ethernet II幀頭中的類型字段替換為幀長(zhǎng)度字段（取值范圍為0X0000-0X05dc，不包括CRC檢驗(yàn)碼），因此對(duì)于接收到的幀，如果類型字段取值范圍為0X0000－0X05dc，則可以判斷其為802.3幀，而非Ethernet II幀。其中RAW 802.3是1983年Novell發(fā)布Netware/86網(wǎng)絡(luò)套件時(shí)采用的私有以太網(wǎng)幀格式，只支持IPX/SPX一種協(xié)議；802.3/802.2 LLC是IEEE 公布的正式802.3標(biāo)準(zhǔn)，它加入了3byte的LLC字段， 其中SAP值用以標(biāo)志上層應(yīng)用，每個(gè)SAP字段為8bits，其中只有6bit用于標(biāo)識(shí)上層協(xié)議，因此所能標(biāo)識(shí)的協(xié)議數(shù)不超過(guò)32種，導(dǎo)致802.3/802.2 LLC的使用有很大局限性；802.3/802.2 SNAP是IEEE為保證在802.2 LLC上支持更多的上層協(xié)議同時(shí)更好的支持IP協(xié)議而發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，在802.3/802.2 LLC基礎(chǔ)上添加了5byte的SNAP字段，從而使其可以標(biāo)識(shí)更多的上層協(xié)議類型，OUI字段用于代表不同的組織（一般置為0），在802.3/802.2 SNAP基礎(chǔ)上RFC1042定義了IP報(bào)文在802.2網(wǎng)絡(luò)中的封裝方法和ARP協(xié)議在802.2 SANP中的實(shí)現(xiàn)。

目前實(shí)際環(huán)境中大多數(shù)TCP/IP設(shè)備都使用Ethernet II格式的幀，它采用了RFC 894的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。從上述幀格式中可以看出，Ethernet II格式幀數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度限制在46byte－1500byte之間，當(dāng)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度小于46個(gè)字節(jié)時(shí)，加填充字段（PAD）補(bǔ)足。Ethernet II和802.3對(duì)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度限制，其最大值分別是1500和1492字節(jié)，這一特性稱作最大傳輸單元（MTU）。

圖 IEEE802.2/802.3（RFC1042）和Ethernet II（RFC894）的封裝格式

在TCP/IP協(xié)議族中，鏈路層主要有三個(gè)目的：（1）為IP模塊發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報(bào)；（2）為ARP模塊發(fā)送ARP請(qǐng)求和接收ARP應(yīng)答；（3）為RARP發(fā)送RARP請(qǐng)求和接收RARP應(yīng)答。

二、以太網(wǎng)IP層協(xié)議封裝格式

在TCP/IP協(xié)議族中基于鏈路層以上的協(xié)議主要有三種：IP協(xié)議、ARP協(xié)議和RARP協(xié)議，其中在IP數(shù)據(jù)報(bào)中又額外封裝了ICMP協(xié)議和IGMP協(xié)議。IP層協(xié)議也就是通常的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它提供點(diǎn)到點(diǎn)的服務(wù)（不同于傳輸層TCP/UDP協(xié)議提供端到端的服務(wù)）。

IP包封裝格式

版本號(hào)：IP包的版本，當(dāng)前一般為IPv4，即0100。

首部長(zhǎng)度：IP包頭長(zhǎng)度（Internet Header Length，IHL），是一個(gè)4bit字段，是頭部占32比特的數(shù)字，包括可選項(xiàng)。普通IP數(shù)據(jù)報(bào)（沒(méi)有任何選項(xiàng)），該字段的值是5，即160比特=20字節(jié)。此字段最大值為60字節(jié)，表示頭部報(bào)文中沒(méi)有發(fā)送可選部分?jǐn)?shù)據(jù)。

服務(wù)類型（TOS）：其中前3比特為優(yōu)先權(quán)子字段（Precedence，現(xiàn)已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分別代表延遲、吞吐量、可靠性和花費(fèi)。當(dāng)它們?nèi)≈禐?時(shí)分別代表要求最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。這4比特的服務(wù)類型中只能置其中1比特為1?？梢匀珵?，若全為0則表示一般服務(wù)。服務(wù)類型字段聲明了數(shù)據(jù)報(bào)被網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸時(shí)可以被怎樣處理。例如：TELNET協(xié)議可能要求有最小的延遲，F(xiàn)TP協(xié)議（數(shù)據(jù)）可能要求有最大吞吐量，SNMP協(xié)議可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，網(wǎng)絡(luò)新聞傳輸協(xié)議）可能要求最小費(fèi)用，而ICMP協(xié)議可能無(wú)特殊要求（4比特全為0）。實(shí)際上，大部分主機(jī)會(huì)忽略這個(gè)字段，但一些動(dòng)態(tài)路由協(xié)議如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根據(jù)這些字段的值進(jìn)行路由決策。

總長(zhǎng)度：頭部及數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)度，最大長(zhǎng)度為65535bytes。

標(biāo)識(shí)：當(dāng)IP包較大需要進(jìn)行分段時(shí)，用于標(biāo)識(shí)該段所屬的分組。通常每發(fā)一份報(bào)文，它的值會(huì)加1。

標(biāo)志：構(gòu)成為[0][D][M]，其中D為1表示不分段，M為0表示為最后分段，為1表示非最后分段。

片偏移：即分段偏移。如果一份數(shù)據(jù)報(bào)要求分段的話，此字段指明該段偏移距原始數(shù)據(jù)報(bào)開(kāi)始的位置。

生存時(shí)間（TTL）：表示一個(gè)IP數(shù)據(jù)流的生命周期，由發(fā)送數(shù)據(jù)的源主機(jī)設(shè)置，通常為32、64、128等。每次IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器的時(shí)候TTL就減一，當(dāng)減到0時(shí)，這個(gè)數(shù)據(jù)包就消亡了。

協(xié)議：傳輸層的協(xié)議類型。

首部校驗(yàn)和：根據(jù)IP頭部計(jì)算得到的校驗(yàn)和碼。計(jì)算方法是：對(duì)頭部中每個(gè)16比特進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不對(duì)頭部后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)）。

選項(xiàng)：占32比特。用來(lái)定義一些任選項(xiàng)：如記錄路徑、時(shí)間戳等。這些選項(xiàng)很少被使用，同時(shí)并不是所有主機(jī)和路由器都支持這些選項(xiàng)?？蛇x項(xiàng)字段的長(zhǎng)度必須是32比特的整數(shù)倍，如果不足，必須填充0以達(dá)到此長(zhǎng)度要求。

數(shù)據(jù)：IP包攜帶的各種傳輸層報(bào)文。

IP報(bào)文頭部實(shí)例：45 00 00 30 52 52 40 00 80 06 2c 23 c0 a8 01 01 d8 03 e2 15

三、傳輸層協(xié)議封裝格式

1．TCP協(xié)議

TCP是一種可靠的、面向連接的字節(jié)流服務(wù)。源主機(jī)在傳送數(shù)據(jù)前需要先和目標(biāo)主機(jī)建立連接。然后，在此連接上，被編號(hào)的數(shù)據(jù)段按序收發(fā)。同時(shí)，要求對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行確認(rèn)，保證了可靠性。如果在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到目標(biāo)主機(jī)對(duì)所發(fā)數(shù)據(jù)段的確認(rèn)，源主機(jī)將再次發(fā)送該數(shù)據(jù)段。

TCP包封裝格式

源、目標(biāo)端口號(hào)字段：占16比特。TCP協(xié)議通過(guò)使用"端口"來(lái)標(biāo)識(shí)源端和目標(biāo)端的應(yīng)用進(jìn)程。端口號(hào)可以使用0到65535之間的任何數(shù)字。在收到服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地為客戶端的應(yīng)用程序分配端口號(hào)。在服務(wù)器端，每種服務(wù)在"眾所周知的端口"（Well-Know Port）為用戶提供服務(wù)。

順序號(hào)字段：占32比特。用來(lái)標(biāo)識(shí)從TCP源端向TCP目標(biāo)端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流，它表示在這個(gè)報(bào)文段中的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

確認(rèn)號(hào)字段：占32比特。只有ACK標(biāo)志為1時(shí)，確認(rèn)號(hào)字段才有效。它包含目標(biāo)端所期望收到源端的下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

數(shù)據(jù)偏移量：實(shí)際上是TCP首部長(zhǎng)度，用來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)段的起始位置。給出頭部占32比特的數(shù)目。沒(méi)有任何選項(xiàng)字段的TCP頭部長(zhǎng)度為20字節(jié)；最多可以有60字節(jié)的TCP頭部。

控制標(biāo)識(shí)（U、A、P、R、S、F）：：TCP協(xié)議中的六個(gè)重要的標(biāo)志。是兩個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交流的信息標(biāo)志。接收和發(fā)送斷根據(jù)這些標(biāo)志來(lái)確定信息流的種類。

URG：（Urgent Pointer field significant）緊急指針。用到的時(shí)候值為1，用來(lái)處理避免TCP數(shù)據(jù)流中斷。

ACK：（Acknowledgment fieldsignificant）置1時(shí)表示確認(rèn)號(hào)（AcknowledgmentNumber）為合法，為0的時(shí)候表示數(shù)據(jù)段不包含確認(rèn)信息，確認(rèn)號(hào)被忽略。

PSH：（Push Function），PUSH標(biāo)志的數(shù)據(jù)，置1時(shí)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)段在接收方得到后就可直接送到應(yīng)用程序，而不必等到緩沖區(qū)滿時(shí)才傳送。

RST：（Reset the connection）用于復(fù)位因某種原因引起出現(xiàn)的錯(cuò)誤連接，也用來(lái)拒絕非法數(shù)據(jù)和請(qǐng)求。如果接收到RST位時(shí)候，通常發(fā)生了某些錯(cuò)誤。

SYN：（Synchronize sequence numbers）用來(lái)建立連接，在連接請(qǐng)求中，SYN=1，ACK=0，連接響應(yīng)時(shí)，SYN=1，ACK=1。即，SYN和ACK來(lái)區(qū)分Connection Request和Connection Accepted。

FIN：（No more data from sender）用來(lái)釋放連接，表明發(fā)送方已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送了。

滑動(dòng)窗口：控制報(bào)文流量，用來(lái)告訴對(duì)方目前接收端緩沖器大小。當(dāng)為0時(shí)標(biāo)識(shí)緩沖器已滿，需要停止發(fā)包，單位為byte。

TCP校驗(yàn)和字段：占16比特。對(duì)整個(gè)TCP報(bào)文段，即TCP頭部和TCP數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，并由目標(biāo)端進(jìn)行驗(yàn)證。

緊急指針字段：占16比特。它是一個(gè)偏移量，和序號(hào)字段中的值相加表示緊急數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)的序號(hào)。

選項(xiàng)字段：占32比特?？赡馨?窗口擴(kuò)大因子"、"時(shí)間戳"等選項(xiàng)。

TCP協(xié)議頭部實(shí)例：0d 28 00 15 50 5f a9 06 00 00 00 00 70 02 40 00 c0 29 00 00

TCP建立連接的三次握手過(guò)程

TCP會(huì)話通過(guò)三次握手來(lái)初始化。三次握手的目標(biāo)是使數(shù)據(jù)段的發(fā)送和接收同步。同時(shí)也向其他主機(jī)表明其一次可接收的數(shù)據(jù)量（窗口大小），并建立邏輯連接。這三次握手的過(guò)程可以簡(jiǎn)述如下：

1、源主機(jī)發(fā)送一個(gè)同步標(biāo)志位（SYN）置1的TCP數(shù)據(jù)段。此段中同時(shí)標(biāo)明初始序號(hào)（Initial Sequence Number，ISN）。ISN是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)值。

2、目標(biāo)主機(jī)發(fā)回確認(rèn)數(shù)據(jù)段，此段中的同步標(biāo)志位（SYN）同樣被置1，且確認(rèn)標(biāo)志位（ACK）也置1，同時(shí)在確認(rèn)序號(hào)字段表明目標(biāo)主機(jī)期待收到源主機(jī)下一個(gè)數(shù)據(jù)段的序號(hào)（即表明前一個(gè)數(shù)據(jù)段已收到并且沒(méi)有錯(cuò)誤）。此外，此段中還包含目標(biāo)主機(jī)的段初始序號(hào)。

3、源主機(jī)再回送一個(gè)數(shù)據(jù)段，同樣帶有遞增的發(fā)送序號(hào)和確認(rèn)序號(hào)。

至此為止，TCP會(huì)話的三次握手完成。接下來(lái)，源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)可以互相收發(fā)數(shù)據(jù)。

2．UDP協(xié)議

UDP是一種不可靠的、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。源主機(jī)在傳送數(shù)據(jù)前不需要和目標(biāo)主機(jī)建立連接。數(shù)據(jù)被冠以源、目標(biāo)端口號(hào)等UDP報(bào)頭字段后直接發(fā)往目的主機(jī)。這時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)段的可靠性依靠上層協(xié)議來(lái)保證。在傳送數(shù)據(jù)較少、較小的情況下，UDP比TCP更加高效。

UDP包封裝格式

源、目標(biāo)端口號(hào)字段：16比特。作用與TCP數(shù)據(jù)段中的端口號(hào)字段相同，用來(lái)標(biāo)識(shí)源端和目標(biāo)端的應(yīng)用進(jìn)程。

長(zhǎng)度字段：占16比特。標(biāo)明UDP頭部和UDP數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度字節(jié)。

校驗(yàn)和字段：占16比特。用來(lái)對(duì)UDP頭部和UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。和TCP不同的是，對(duì)UDP來(lái)說(shuō)，此字段是可選項(xiàng)，而TCP數(shù)據(jù)段中的校驗(yàn)和字段是必須有的。