TCP/IP - Header

• Application 层（HTTP）的数据在经过传输层（TCP Layer）的时候，会加上 TCP 的 header，成为一个 TCP Segment。
• 传输层（TCP）的 Segment 在经过网络层（IP Layer）的时候，会加上 IP 的 header，成为一个 IP Packet。
• 网络层的 IP Packet 在经过链路层（Link Layer）的时候，会加上Link Layer 的 header，成为一个 Frame。
• 最后 Frame 会在物理层，将数字信号转化为物理信号传输。

+-------------+-------------------------+
 | Application |  HTTP Packet            |
 +-------------+-------------------------+
 | Transport   |  TCP Segment            |
 +-------------+-------------------------+
 | Network     |  IP Packet              |
 +-------------+-------------------------+
 | Link        |  Frame                  | 
 +-------------+-------------------------+         光纤
 | Physical    |  Bits                   | ====================> 
 +-------------+-------------------------+

Packet = Protocol Header + Payload

TCP Segment = TCP header + HTTP data 

 

 

上图是一个 TCP header，以下是一些需要「死记硬背」的信息点：

一个 TCP Header 一般有 20 个字节，如果启用了 options，header的长度可以达到 60 个字节。上图中每一行是 4 个 bytes，32 个 bits。我先带大家学习下前 5 行，每一行是 4 Bytes，五行刚好是 20 个 bytes。计算机世界中，通常会以 bit，byte，word（4 个 byte）等不同粒度来描述信息，header 的学习一般是以 4 个字节为一个单位来展示的。

• 第一行，由 Source port 和 Destination port 构成，二者各占 2 个字节，刚好一起占据第一行的 4 个字节。这两个字段分别表示 TCP 连接中的，发送方端口号和接收方的端口号，既然一个 port 只占 2 个 bytes，那么端口值的范围自然就是 0~65535 啦。
• 第二行，Sequence number，表示发送方的序列号。这个序列号表示的是什么呢？一个 TCP 流是有无数个 0 和 1 构成，这些 0 和 1 以 8 个 bit 为单位，可以分割成一个个的 byte，TCP 是可靠传输协议，每一个 byte 都是有标号的，因为我们需要追踪每个 byte 是否被成功传输了，每个 byte 的标号就是我们这里的 sequence number。假设我们建立 TCP 连接的时候，发一个 sync 包，我们就以 0 标记 sync 包的第一个字节，那么 sync 包中的 Sequence 值就是 0。实际应用中，处于安全考虑，TCP 流的第一个 Sequence number 一般不会是 0，而是一个随机数。Sequence number 占据 4 个字节，也就是 2 的 32 次方，这个数字并不算大，每个包都会用掉一些，如果达到最大值之后，就取余从 0 重新开始。
• 第三行，Acknowledge number，表示接收方 ack 的序列号。接收方收到发送方一个的 TCP 包之后，取出其中的 sequence number，在下一个接收方自己要发送的包中，设置 ack 比特位为 1，同时设置 acknowledge number 为 sequence number + 1。所以接收方的 acknowledge number 表示的是，接收方期待接收的下一个包起始字节的标号，大家可以仔细理解下这一句话。所以 acknowledge number 和 sequence number 是配对使用的。
• 第四行，这一行尤其重要，出于篇幅的考虑，其中细节会在后续的文章中讲解。这里简单提下从 CWR 到 FIN 的 8 个 bit，这 8 个 bit 里每一位都是一个标记位，用来标记当前 TCP 包的特殊含义。比如我们所说的三次握手，第一个 sync 包，就是将 SYN 位置为 1。第二个 syn + ack 包就是将 header 的 ACK 和 SYN 位都置为 1。第三个 ack 包即将 ACK 位置 1。剩余的几个 bit 位暂时不展开讲了，大家可以自己看书先学习下。
• 第五行，这一行只有两个字段，即 Checksum 和 Urgent pointer。checksum 是个通用的计算机概念，做完整性校验之用，在很多协议（IP，UDP，ICMP）中都有应用，这个值有包的发送方去计算，之后由包的接收方取出来校验。Urgent pointer 为两个字节的偏移量，加上当前包的 sequence number，用来标记某一个范围内的 bytes 为特殊用途数据。

Reference: TCP/IP 系列之 Header 篇 - 知乎 (zhihu.com)