TCP/IP 協議簇的逐層封裝

??????? 在使用 TCP 協議的網絡程序中，用戶數據從產生到從網卡發出去一般要經過如下的逐層封裝過程：

??????? 從下往上看：
??????? 1）鏈路層通過加固定長度的首部、尾部來封裝 IP 數據報(Datagram) 產生以太網幀(Frame)。其中首部存在對封裝數據的標識：是 IP(0x0800，例如本例) 、ARP(0x0806) 還是 RARP(0x0835)。
??????? 2）網絡層通過加 IP首部來封裝 TCP 段(Segment) 產生 IP 數據報。其中首部存在對封裝數據的標識：是 ICMP(0x01)、IGMP(0x02)、TCP(0x06，例如本例)還是 UDP(0x11)。
??????? 3）傳輸層通過加首部來封裝應用數據產生 TCP 段。其中TCP首部存在對封裝數據的標識：端口號，來標識是那個應用程序產生的數據。

??????? 4）按這種處理邏輯，在應用層，對于我們要處理的應用數據理所當然的加上固定長度的首部，首部中同樣含有某些標識，標識些什么呢？按經驗，一般會標識本次數據的業務意義，在程序中一般處理為業務集合(枚舉型)的某個元素；如果是 TCP應用(本例) 還可能包括應用數據總體長度。

Ethernet、Tcp、Udp 等協議的數據包格式

??????? TCP/IP協議是一個比較復雜的協議集，有很多專業書籍介紹。在此，我僅介紹其與編程密切相關的部分：以太網上 TCP/IP 協議的分層結構及其報文格式。我們知道TCP/IP 協議采用分層結構，其分層模型及協議如下表：

??????? 協議采用分層結構，因此，數據報文也采用分層封裝的方法。下面以應用最廣泛的以太網為例說明其數據報文分層封裝，如下圖所示：

??????? 任何通訊協議都有獨特的報文格式，TCP/IP 協議也不例外。對于通訊協議編程，我們首先要清楚其報文格式。由于TCP/IP 協議采用分層模型，各層都有專用的報頭，以下就簡單介紹以太網下 TCP/IP 各層報文格式。

??????? 8 字節的前導用于幀同步，CRC 域用于幀校驗。這些用戶不必關心其由網卡芯片自動添加。目的地址和源地址是指網卡的物理地址，即 MAC 地址，具有唯一性。幀類型或協議類型是指數據包的高級協議，如 0x0806 表示 ARP 協議，0x0800 表示 IP 協議等。之所以要把數據組合成以幀為單位傳送，是為了在出錯時，可只將有錯的幀重發，而不必將全部數據重新發送，從而提高了效率。注：數據以幀為單位進行發送，若某一幀有差錯，以后就重傳這個出錯的幀。一個幀要有幀界限，接收端在收到比特流后，能夠依據幀界限正確知道哪些比特構成一個幀。接收端找到幀定界符并確定幀的準確位置，就是完成了幀同步。

????????? 硬件類型：指明了發送方想知道的硬件接口類型，以太網的值為1；

????????? 協議類型：指明了發送方提供的高層協議類型，IP為0800（16進制）；

????????? 硬件地址長度和協議長度：指明了硬件地址和高層協議地址的長度，這樣ARP報文就可以在任意硬件和任意協議的網絡中使用；

????????? 操作類型：用來表示這個報文的類型，ARP請求為1，ARP響應為2，RARP請求為3，RARP響應為4；

????????? 發送方硬件地址（0-3字節）：源主機硬件地址的前3個字節；

????????? 發送方硬件地址（4-5字節）：源主機硬件地址的后3個字節；

????????? 發送方IP地址（0-1字節）：源主機硬件地址的前2個字節；

????????? 發送方IP地址（2-3字節）：源主機硬件地址的后2個字節；

????????? 目標硬件地址（0-1字節）：目的主機硬件地址的前2個字節；

????????? 目標硬件地址（2-5字節）：目的主機硬件地址的后4個字節；

?????????目標IP地址（0-3字節）：目的主機的IP地址。

??????? IP 數據報頭格式如下圖：

???????版本號（Version）：長度4比特。標識目前采用的IP協議的版本號。一般的值為0100（IPv4），0110（IPv6）
??????? IP包頭長度（Header Length）：長度4比特。描述IP包頭的長度。因為在IP包頭中有變長的可選部分。該部分占4個bit位，單位為32bit（4個字節），即本區域值= IP頭部長度（單位為bit）/(8*4)，因此，一個IP包頭的長度最長為“1111”，即15*4＝60個字節。IP包頭最小長度為20字節。

??????? 服務類型（Type of Service）：長度8比特。這八位被分成如下定義，其中PPP三位組合使用：PPP DTRC0
????????????? PPP：定義包的優先級，取值越大數據越重要
????????????? ? ? 000 普通 (Routine)
???????????? ? ?? 001 優先的 (Priority)
???????????? ? ?? 010 立即的發送 (Immediate)
???????? ? ? ? ?? 011 閃電式的 (Flash)
???????????? ? ?? 100 比閃電還閃電式的 (Flash Override)
???????????? ? ?? 101 CRI/TIC/ECP(找不到這個詞的翻譯)
???????????? ?? ? 110 網間控制 (Internetwork Control)
?????????? ? ?? ? 111 網絡控制 (Network Control)

????? ? ? ? ?? ??? D 時延: 0:普通 1:延遲盡量小
?????? ? ? ? ?? ??T 吞吐量: 0:普通 1:流量盡量大
???? ? ? ? ?? ????R 可靠性: 0:普通 1:可靠性盡量大
???? ? ? ? ?? ????M 傳輸成本: 0:普通 1:成本盡量小
????? ? ? ? ?? ???0 最后一位被保留，恒定為0

???????IP包總長（Total Length）：長度16比特。以字節為單位計算的IP包的長度 (包括頭部和數據)，所以IP包最大長度65535字節。
??????? 標識符（Identifier）:長度16比特。該字段和Flags和Fragment Offest字段聯合使用，對較大的上層數據包進行分段（fragment）操作。路由器將一個包拆分后，所有拆分開的小包被標記相同的值，以便目的端設備能夠區分哪個包屬于被拆分開的包的一部分。
??????? 標記（Flags）：長度3比特。該字段第一位不使用。第二位是DF（Don't Fragment）位，DF位設為1時表明路由器不能對該上層數據包分段。如果一個上層數據包無法在不分段的情況下進行轉發，則路由器會丟棄該上層數據包并返回一個錯誤信息。第三位是MF（More Fragments）位，當路由器對一個上層數據包分段，則路由器會在除了最后一個分段的IP包的包頭中將MF位設為1。
??????? 片偏移（Fragment Offset）：長度13比特。表示該IP包在該組分片包中位置，接收端靠此來組裝還原IP包。
??????? 生存時間（TTL）：長度8比特。當IP包進行傳送時，先會對該字段賦予某個特定的值。當IP包經過每一個沿途的路由器的時候，每個沿途的路由器會將IP包的TTL值減少1。如果TTL減少為0，則該IP包會被丟棄。這個字段可以防止由于路由環路而導致IP包在網絡中不停被轉發。

??????? 協議（Protocol）：長度8比特。標識了上層所使用的協議。
??????????????? 以下是比較常用的協議號：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1????ICMP
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? 2????IGMP
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? 6????TCP
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 17??? UDP
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 88??? IGRP
????????????????????????? 89??? OSPF
??????頭部校驗（Header Checksum）：長度16位。用來做IP頭部的正確性檢測，但不包含數據部分。因為每個路由器要改變TTL的值,所以路由器會為每個通過的數據包重新計算這個值。
?????? 起源和目標地址（Source and Destination Addresses）：這兩個地段都是32比特。標識了這個IP包的起源和目標地址。要注意除非使用NAT，否則整個傳輸的過程中，這兩個地址不會改變。
?????? 至此，IP包頭基本的20字節已介紹完畢，此后部分屬于可選項，不是必須的部分。

????? 可選項（Options）：這是一個可變長的字段。該字段屬于可選項，主要用于測試，由起源設備根據需要改寫。可選項目包含以下內容：
?? ?? 松散源路由（Loose source routing）：給出一連串路由器接口的IP地址。IP包必須沿著這些IP地址傳送，但是允許在相繼的兩個IP地址之間跳過多個路由器。
? ? ? 嚴格源路由（Strict source routing）：給出一連串路由器接口的IP地址。IP包必須沿著這些IP地址傳送，如果下一跳不在IP地址表中則表示發生錯誤。
?? ?? 路由記錄（Record route）：當IP包離開每個路由器的時候記錄路由器的出站接口的IP地址。
? ? ? 時間戳（Timestamps）：當IP包離開每個路由器的時候記錄時間。
?? ?? 填充（Padding）：因為IP包頭長度（Header Length）部分的單位為32bit，所以IP包頭的長度必須為32bit的整數倍。因此，在可選項后面，IP協議會填充若干個0，以達到32bit的整數倍。

typedef struct _iphdr //定義IP首部　　
{　　
unsigned char h_lenver; //4位首部長度+4位IP版本號　　
unsigned char tos; //8位服務類型TOS　　
unsigned short total_len; //16位總長度（字節）
unsigned short ident; //16位標識　　
unsigned short frag_and_flags; //3位標志位　　
unsigned char ttl; //8位生存時間 TTL　　
unsigned char proto; //8位協議 (TCP, UDP 或其他)　　
unsigned short checksum; //16位IP首部校驗和　
unsigned int sourceIP; //32位源IP地址　　
unsigned int destIP; //32位目的IP地址　　
}IP_HEADER;

??????? 我們用單片機實現 TCP/IP 協議要作一些簡化，不考慮數據分片和優先權。因此，在此我們不討論服務類型和標志偏移域，只需填“0” 即可。協議“版本”為 4，“頭長度”單位為 32Bit，“總長度”以字節為單位，表示整個 IP 數據報長度。“標識”是數據包的 ID 號，用于識別不同的 IP 數據包。“生存時間” TTL 是個數量及的概念，防止無用數據包一直存在網絡中。一般每經過路由器時減一，因此通過 TTL 可以算出數據包到達目的地所經過的路由器個數。“協議”域表示創建該數據包的高級協議類型。如 1 表示 ICMP 協議，6 表示 TCP 協議，17 表示 UDP 協議等。IP 數據包為簡化數據轉發時間，僅采用頭校驗的方法，數據正確性由高層協議保證。

??????? ICMP（網間網控制報文協議）協議 ? ?? 應用廣泛。在此僅給出最常見的回應請求與應答報文格式，用戶命令 ping 便是利用此報文來測試信宿機的可到達性。報文格式如下圖所示：