TCP/IP 协议栈深扒

一条主线：IPv4 首部是封装的「规格书」，TCP/IP 封装是规格的「执行过程」，跨层协作是规格之间的「咬合关系」；TCP 首部与三次握手是传输层的「连接账本」，分片是包裹超规时的「拆包」，IPv6 则是首部的「重构版」。

目录

1. IPv4 首部结构（RFC 791）
2. TCP/IP 封装与解封装
3. 跨层协作
4. TCP 首部结构（RFC 9293）
5. TCP 三次握手细节
6. IP 分片重组实例演算
7. IPv6 首部对比
8. 关键数字速查
9. 延伸方向

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一、IPv4 首部结构（RFC 791）

IPv4 首部 = 固定部分 20 字节 + 可选部分 0–40 字节，按网络字节序（大端）传输。以 32 位字（Word）为单位查看：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |    TOS       |         Total Length          |  字节 0–3
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|   Fragment Offset      |  字节 4–7
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|  TTL  |   Protocol    |        Header Checksum              |  字节 8–11
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|                       Source Address                          |  字节 12–15
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|                    Destination Address                        |  字节 16–19
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|                    Options                    |   Padding     |  字节 20–59（变长）
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字段明细

字段	位宽	字节偏移	作用
Version · 版本	4	0	协议版本号。IPv4 固定为 4，IPv6 为 6
IHL · 首部长度	4	0	首部长度，以 4 字节为单位。无选项时 = 5（20 字节），最大 15（60 字节）
TOS · 服务类型	8	1	已重构为 DSCP（6 位，QoS/差分服务标记）+ ECN（2 位，显式拥塞通知）
Total Length · 总长度	16	2–3	首部 + 数据总字节数，最大 65535。收端据此划定数据边界；超过链路 MTU 时触发分片
Identification · 标识	16	4–5	同一报文拆出的所有分片携带相同值，收端按「标识 + 源/目的 IP + 协议号」重组
Flags · 标志	3	6	bit0 保留；DF=1 禁止分片（PMTUD 依赖它）；MF=1 表示其后还有分片
Fragment Offset · 片偏移	13	6–7	分片数据相对原始报文的偏移，以 8 字节为单位——除最后一片，每片都是 8 的倍数
TTL · 生存时间	8	8	每经一台路由器减 1；减到 0 丢弃并回 ICMP 超时，防止环路打转
Protocol · 协议	8	9	上层协议号：1=ICMP，2=IGMP，6=TCP，17=UDP，41=IPv6，89=OSPF
Header Checksum · 首部校验和	16	10–11	只覆盖首部、不覆盖数据；每跳因 TTL 变化必须重算
Source Address · 源地址	32	12–15	源 IPv4 地址
Destination Address · 目的地址	32	16–19	目的 IPv4 地址。路由器逐跳只按它查转发表，不记录完整路径
Options + Padding · 选项与填充	0–40	20 起	记录路由、时间戳、源路由等，极少使用；Padding 补 0 保证首部 4 字节对齐

最容易记错的点

1. IHL 的单位是 4 字节，不是字节、不是位。
2. 分片靠三件套配合：Identification（相同值）+ Flags（DF/MF）+ Fragment Offset（8 字节为单位）。
3. 首部校验和只保首部且每跳重算（TTL 递减改变首部）；数据正确性由 TCP/UDP 校验和（含伪首部）端到端兜底。
4. Protocol 是网络层向上投递的路标，决定剥掉 IP 首部后交给谁。

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二、TCP/IP 封装与解封装