IP头、TCP头、UDP头详解以及定义

一、MAC帧头定义

/*数据帧定义，头14个字节，尾4个字节*/

typedef struct _MAC_FRAME_HEADER

{

char m_cDstMacAddress[6]; //目的mac地址

char m_cSrcMacAddress[6]; //源mac地址

short m_cType; 　　　　　//上一层协议类型，如0x0800代表上一层是IP协议，0x0806为arp

}__attribute__((packed))MAC_FRAME_HEADER,*PMAC_FRAME_HEADER;



typedef struct _MAC_FRAME_TAIL

{

unsigned int m_sCheckSum; //数据帧尾校验和

}__attribute__((packed))MAC_FRAME_TAIL, *PMAC_FRAME_TAIL;



二、IP头结构的定义





/*IP头定义，共20个字节*/

typedef struct _IP_HEADER

{

char m_cVersionAndHeaderLen; 　　//版本信息(前4位)，头长度(后4位)

char m_cTypeOfService; 　　　　　 // 服务类型8位

short m_sTotalLenOfPacket; 　　　　//数据包长度

short m_sPacketID; 　　　　　　　 //数据包标识

short m_sSliceinfo; 　　　　　　　 //分片使用

char m_cTTL; 　　　　　　　　　　//存活时间

char m_cTypeOfProtocol; 　　　　　 //协议类型

short m_sCheckSum; 　　　　　　 //校验和

unsigned int m_uiSourIp; 　　　　　//源ip

unsigned int m_uiDestIp; 　　　　　//目的ip

} __attribute__((packed))IP_HEADER, *PIP_HEADER ;

三、tcp头结构定义





/*TCP头定义，共20个字节*/

typedef struct _TCP_HEADER

{

short m_sSourPort; 　　　　　　// 源端口号16bit

short m_sDestPort; 　　　　　　 // 目的端口号16bit

unsigned int m_uiSequNum; 　　// 序列号32bit

unsigned int m_uiAcknowledgeNum; // 确认号32bit

short m_sHeaderLenAndFlag; 　　// 前4位：TCP头长度；中6位：保留；后6位：标志位

short m_sWindowSize; 　　　　　// 窗口大小16bit

short m_sCheckSum; 　　　　　 // 检验和16bit

short m_surgentPointer; 　　　　 // 紧急数据偏移量16bit

}__attribute__((packed))TCP_HEADER, *PTCP_HEADER;

/*TCP头中的选项定义

kind(8bit)+Length(8bit，整个选项的长度，包含前两部分)+内容(如果有的话)

KIND = 1表示 无操作NOP，无后面的部分

2表示 maximum segment 后面的LENGTH就是maximum segment选项的长度（以byte为单位，1+1+内容部分长度）

3表示 windows scale 后面的LENGTH就是 windows scale选项的长度（以byte为单位，1+1+内容部分长度）

4表示 SACK permitted LENGTH为2，没有内容部分

5表示这是一个SACK包 LENGTH为2，没有内容部分

8表示时间戳，LENGTH为10，含8个字节的时间戳

*/

typedef struct _TCP_OPTIONS

{

char m_ckind;

char m_cLength;

char m_cContext[32];

}__attribute__((packed))TCP_OPTIONS, *PTCP_OPTIONS;



四、UDP头结构的定义





/*UDP头定义，共8个字节*/

typedef struct _UDP_HEADER

{

unsigned short m_usSourPort; 　　　// 源端口号16bit

unsigned short m_usDestPort; 　　　// 目的端口号16bit

unsigned short m_usLength; 　　　　// 数据包长度16bit

unsigned short m_usCheckSum; 　　// 校验和16bit

}__attribute__((packed))UDP_HEADER, *PUDP_HEADER;

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http://www.cnblogs.com/li-hao/archive/2011/12/07/2279912.html
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tcp、ip、udp头部格式

2.2　TCP/IP报文格式
　　
　　1、IP报文格式
　　
　　IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网环境，IP协议往往被封装在以太网帧（见本章1.3节）中传送。而所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传送。如图2-3所示：
　　 　
　　 图2-3　 TCP/IP报文封装
　　


　　图2-4是IP头部（报头）格式：（RFC 791）。
　　

　
　　 图2-4　 IP头部格式
　　
　　其中：
　　
　　●版本（Version）字段：占4比特。用来表明IP协议实现的版本号，当前一般为IPv4，即0100。
　　
　　●报头长度（Internet Header Length，IHL）字段：占4比特。是头部占32比特的数字，包括可选项。普通IP数据报（没有任何选项），该字段的值是5，即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。
　　
　　●服务类型（Type of Service ，TOS）字段：占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（Network
News Transfer Protocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate
System to Intermediate System Protocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。
　　
　　●总长度字段：占16比特。指明整个数据报的长度（以字节为单位）。最大长度为65535字节。
　　
　　●标志字段：占16比特。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1。
　　
　　●标志位字段：占3比特。标志一份数据报是否要求分段。
　　
　　●段偏移字段：占13比特。如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。
　　
　　●生存期（TTL：Time to Live）字段：占8比特。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。
　　
　　●协议字段：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP（1）、IGMP（2） 、TCP（6）、UDP（17）等。
　　
　　●头部校验和字段：占16比特。内容是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是：对头部中每个16比特进行二进制反码求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不对头部后的数据进行校验）。
　　
　　●源IP地址、目标IP地址字段：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。
　　
　　可选项字段：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。
　　
　　2、TCP数据段格式
　　
　　TCP是一种可靠的、面向连接的字节流服务。源主机在传送数据前需要先和目标主机建立连接。然后，在此连接上，被编号的数据段按序收发。同时，要求对每个数据段进行确认，保证了可靠性。如果在指定的时间内没有收到目标主机对所发数据段的确认，源主机将再次发送该数据段。
　　
　　如图2-5所示，是TCP头部结构（RFC 793、1323）。
　　 　


　　 图2-5　 TCP头部结构
　　
　　●源、目标端口号字段：占16比特。TCP协议通过使用"端口"来标识源端和目标端的应用进程。端口号可以使用0到65535之间的任何数字。在收到服务请求时，操作系统动态地为客户端的应用程序分配端口号。在服务器端，每种服务在"众所周知的端口"（Well-Know
Port）为用户提供服务。
　　
　　●顺序号字段：占32比特。用来标识从TCP源端向TCP目标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。
　　
　　●确认号字段：占32比特。只有ACK标志为1时，确认号字段才有效。它包含目标端所期望收到源端的下一个数据字节。
　　
　　●头部长度字段：占4比特。给出头部占32比特的数目。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节；最多可以有60字节的TCP头部。
　　
　　●标志位字段（U、A、P、R、S、F）：占6比特。各比特的含义如下：
　　
　　◆URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
　　
　　◆ACK：确认序号有效。
　　
　　◆PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
　　
　　◆RST：重建连接。
　　
　　◆SYN：发起一个连接。
　　
　　◆FIN：释放一个连接。
　　
　　●窗口大小字段：占16比特。此字段用来进行流量控制。单位为字节数，这个值是本机期望一次接收的字节数。
　　
　　●TCP校验和字段：占16比特。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，并由目标端进行验证。
　　
　　●紧急指针字段：占16比特。它是一个偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。
　　
　　●选项字段：占32比特。可能包括"窗口扩大因子"、"时间戳"等选项。
　　
　　3、UDP数据段格式
　　
　　UDP是一种不可靠的、无连接的数据报服务。源主机在传送数据前不需要和目标主机建立连接。数据被冠以源、目标端口号等UDP报头字段后直接发往目的主机。这时，每个数据段的可靠性依靠上层协议来保证。在传送数据较少、较小的情况下，UDP比TCP更加高效。
　　
　　如图2-6所示，是UDP头部结构（RFC 793、1323）：
　　 　


　　 图2-6　 UDP数据段格式
　　
　　●源、目标端口号字段：占16比特。作用与TCP数据段中的端口号字段相同，用来标识源端和目标端的应用进程。
　　
　　●长度字段：占16比特。标明UDP头部和UDP数据的总长度字节。
　　
　　●校验和字段：占16比特。用来对UDP头部和UDP数据进行校验。和TCP不同的是，对UDP来说，此字段是可选项，而TCP数据段中的校验和字段是必须有的。
　　
　　2.3　套接字
　　
　　在每个TCP、UDP数据段中都包含源端口和目标端口字段。有时，我们把一个IP地址和一个端口号合称为一个套接字（Socket），而一个套接字对（Socket pair）可以唯一地确定互连网络中每个TCP连接的双方（客户IP地址、客户端口号、服务器IP地址、服务器端口号）。
　　
　　如图2-7所示，是常见的一些协议和它们对应的服务端口号。
　　 　


　　 图2-7　 常见协议和对应的端口号
　　
　　需要注意的是，不同的应用层协议可能基于不同的传输层协议，如FTP、TELNET、SMTP协议基于可靠的TCP协议。TFTP、SNMP、RIP基于不可靠的UDP协议。
　　
　　同时，有些应用层协议占用了两个不同的端口号，如FTP的20、21端口，SNMP的161、162端口。这些应用层协议在不同的端口提供不同的功能。如FTP的21端口用来侦听用户的连接请求，而20端口用来传送用户的文件数据。再如，SNMP的161端口用于SNMP管理进程获取SNMP代理的数据，而162端口用于SNMP代理主动向SNMP管理进程发送数据。
　　
　　还有一些协议使用了传输层的不同协议提供的服务。如DNS协议同时使用了TCP 53端口和UDP 53端口。DNS协议在UDP的53端口提供域名解析服务，在TCP的53端口提供DNS区域文件传输服务。
　　
　　2.4　TCP连接建立、释放时的握手过程
　　
　　1、TCP建立连接的三次握手过程
　　
　　TCP会话通过三次握手来初始化。三次握手的目标是使数据段的发送和接收同步。同时也向其他主机表明其一次可接收的数据量（窗口大小），并建立逻辑连接。这三次握手的过程可以简述如下：
　　
　　●源主机发送一个同步标志位（SYN）置1的TCP数据段。此段中同时标明初始序号（Initial Sequence Number，ISN）。ISN是一个随时间变化的随机值。
　　
　　●目标主机发回确认数据段，此段中的同步标志位（SYN）同样被置1，且确认标志位（ACK）也置1，同时在确认序号字段表明目标主机期待收到源主机下一个数据段的序号（即表明前一个数据段已收到并且没有错误）。此外，此段中还包含目标主机的段初始序号。
　　
　　●源主机再回送一个数据段，同样带有递增的发送序号和确认序号。
　　
　　至此为止，TCP会话的三次握手完成。接下来，源主机和目标主机可以互相收发数据。整个过程可用图2-8表示。
　　 　


　　 图2-8　 TCP建立连接的三次握手过程
　　
　　2、TCP释放连接的四次握手过程
　　
　　TCP连接的释放需要进行四次握手，步骤是：
　　
　　●源主机发送一个释放连接标志位（FIN）为1的数据段发出结束会话请求

以太网首部

目地MAC地址（8字节）

源MAC地址（8字节）

类型（2字节）

1、IP头的结构

版本（4位）	头长度（4位）	服务类型（8位）	封包总长度（16位）
封包标识（16位）	标志（3位）	片断偏移地址（13位）
存活时间（8位）	协议（8位）	校验和（16位）
来源IP地址（32位）
目的IP地址（32位）
选项（可选）	填充（可选）
数据

（1）字节和数字的存储顺序是从右到左，依次是从低位到高位，而网络存储顺序是从左到右，依次从低位到高位。

（2）版本：占第一个字节的高四位。头长度：占第一个字节的低四位。

（3）服务类型：前3位为优先字段权，现在已经被忽略。接着4位用来表示最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。

（4）封包总长度：整个IP报的长度，单位为字节。

（5）存活时间：就是封包的生存时间。通常用通过的路由器的个数来衡量，比如初始值设置为32，则每通过一个路由器处理就会被减一，当这个值为0的时候就会丢掉这个包，并用ICMP消息通知源主机。

（6）协议：定义了数据的协议，分别为：TCP、UDP、ICMP和IGMP。定义为：

＃define PROTOCOL_TCP 0x06

＃define PROTOCOL_UDP 0x11

＃define PROTOCOL_ICMP 0x06

＃define PROTOCOL_IGMP 0x06

（7）检验和：校验的首先将该字段设置为0，然后将IP头的每16位进行二进制取反求和，将结果保存在校验和字段。

（8）来源IP地址：将IP地址看作是32位数值则需要将网络字节顺序转化位主机字节顺序。转化的方法是：将每4个字节首尾互换，将2、3字节互换。

（9）目的IP地址：转换方法和来源IP地址一样。

在网络协议中，IP是面向非连接的，所谓的非连接就是传递数据的时候，不检测网络是否连通。所以是不可靠的数据报协议，IP协议主要负责在主机之间寻址和选择数据包路由。

2、ICMP协议的头结构

类型（8位）	代码（8位）	校验和（8位）
类型或者代码

（1）类型：一个8位类型字段，表示ICMP数据包类型。

（2）代码：一个8位代码域，表示指定类型中的一个功能。如果一个类型中只有一种功能，代码域置为0。

（3）检验和：数据包中ICMP部分上的一个16位检验和。





3、TCP协议的头结构

来源端口（2字节）	目的端口（2字节）
序号（4字节）	确认序号（4字节）
头长度（4位）	保留（6位）
URG	ACK	PSH	RST	SYN	PIN
窗口大小（2字节）	校验和（16位）
紧急指针（16位）	选项（可选）
数据

（1）TCP源端口（Source Port）：16位的源端口包含初始化通信的端口号。源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。

（2）TCP目的端口（Destination Port）：16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。

（3）序列号（Sequence Number）：TCP连线发送方向接收方的封包顺序号。

（4）确认序号（Acknowledge Number）：接收方回发的应答顺序号。

（5）头长度（Header Length）：表示TCP头的双四字节数，如果转化为字节个数需要乘以4。

（6）URG：是否使用紧急指针，0为不使用，1为使用。

（7）ACK：请求/应答状态。0为请求，1为应答。

（8）PSH：以最快的速度传输数据。

（9）RST：连线复位，首先断开连接，然后重建。

（10）SYN：同步连线序号，用来建立连线。

（11）FIN：结束连线。如果FIN为0是结束连线请求，FIN为1表示结束连线。

（12）窗口大小（Window）：目的机使用16位的域告诉源主机，它想收到的每个TCP数据段大小。

（13）校验和（Check Sum）：这个校验和和IP的校验和有所不同，不仅对头数据进行校验还对封包内容校验。

（14）紧急指针（Urgent Pointer）：当URG为1的时候才有效。TCP的紧急方式是发送紧急数据的一种方式。

4、UDP协议的头结构

源端口（2字节）	目的端口（2字节）
封报长度（2字节）	校验和（2字节）
数据

（1）源端口（Source Port）：16位的源端口域包含初始化通信的端口号。源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。

（2）目的端口（Destination Port）：6位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。

（3）封包长度（Length）：UDP头和数据的总长度。

（4）校验和（Check Sum）：和TCP和校验和一样，不仅对头数据进行校验，还对包的内容进行校验。



5、ARP报头结构

硬件类型	协议类型
硬件地址长度	协议长度	操作类型
发送方的硬件地址（0-3字节）
源物理地址（4-5字节）	源IP地址（0-1字节）
源IP地址（2-3字节）	目标硬件地址（0-1字节）
目标硬件地址（2-5字节）
目标IP地址（0-3字节）

（1）硬件类型字段指明了发送方想知道的硬件接口类型，以太网的值为1；

（2）协议类型字段指明了发送方提供的高层协议类型，IP为0800（16进制）；

（3）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；

（4）操作字段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；

（5）发送方的硬件地址（0-3字节）：源主机硬件地址的前3个字节；

（6）发送方的硬件地址（4-5字节）：源主机硬件地址的后3个字节；

（7）发送方IP（0-1字节）：源主机硬件地址的前2个字节；

（8）发送方IP（2-3字节）：源主机硬件地址的后2个字节；

（9）目的硬件地址（0-1字节）：目的主机硬件地址的前2个字节；

（10）目的硬件地址（2-5字节）：目的主机硬件地址的后4个字节；

（11）目的IP（0-3字节）：目的主机的IP地址。



ARP的工作原理如下：

1. 首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区(ARP
Cache)中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。

2. 当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有﹐就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。

3. 网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；

4. 源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。