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第38题

知识点： IPv4数据报格式 TCP报文格式以太网以太网的帧格式应用层 TCP TCP/IP

关键词： TCP/IP 传输数据网络以太网应用层 TCP 章/节：局域网 Internet 协议

以太网的最大帧长为1518字节，每个数据帧前面有8个字节的前导字段，帧间隙为9.6μs。若采用TCP/IP网络传输14600字节的应用层数据，采用100BASE-TX网络，需要的最短时间为（）。

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知识点讲解
· IPv4数据报格式 · TCP报文格式 · 以太网 · 以太网的帧格式 · 应用层 · TCP · TCP/IP

IPv4数据报格式

IP协议的数据报格式如下图所示。

IP数据报格式

下面将分别说明这些字段的定义：

（1）版本。该字段长4位，表示IP的版本号，目前常用的为版本4，即IPv4。

（2）IHL。该字段长4位，表示IP头部的长度（即除了用户数据之外），以一个32位的字为基本单位，即该IP首部包含多少个32位的字。该字段值最小是5，即20字节。

（3）服务类型。服务类型TOS包括3位的优先权字段（现在已忽略不用）、4位的服务类型字段。用于区分可靠性、优先级、延迟和吞吐率的参数。

（4）报文总长度。报文总长度字段指明了整个IP分组的长度，这个长度是以字节为单位的。IP是一个网络层的协议，需要考虑IP分组穿越不同网络的情况。有时，一个IP分组的长度可能无法满足某些高速网络中的最小数据帧长的要求，此时需要IP分组最后进行填充。如果没有总长度字段的指示，处理程序无法识别出哪里是IP分组的结束。

（5）标识符。标识字段可以唯一地标识一个IP分组。前面已经提到，IP需要考虑分组在穿越不同网络时的情况。一个较大的IP分组可能在其他的网络中被拆分成若干个小的分片，穿过这些网络后必须对这些分片进行重组，这时就需要标识字段来判断某个分片属于哪一个IP分组。

（6）标志字段。标志字段只有3位。第一位没有定义，必须为0，第二位D指明了该IP分组是否可被分片，第三位M指明了当前分片是否为最后一个分片。

（7）分片偏移量。分片偏移量字段：长13位，不难想象，既然IP分组需要分片，那么必须有一个字段指明当前分片在原始IP分组中的偏移地址。

（8）TTL。生存时间TTL字段，指明了该IP分组的生命期，当IP分组通过一个路由器时，该分组的TTL将被减1，如果TTL将为零，该IP分组将被丢弃，从而避免了循环路由的问题。

（9）协议字段。该字段指出了哪一个高层协议在使用IP。例如，6对应TCP，17对应UDP。

（10）首部校验和。首部校验和字段用于保证首部的完整性。不过由于路由器经常需要修改TTL的数值，在RFC1141中给出了一种方法，使得路由器在修改TTL时不需要重新计算整个首部的校验和。

（11）源IP地址和目的IP地址。源IP地址和目的IP地址字段指出了IP分组的来源主机和目的主机。

（12）IP选项与填充数据。该字段可以扩充IP的含义，目前有一些对可选项的定义。不过目前很少使用这些定义项，而且也不是所有的主机和路由器都支持这些可选项。由于IP首部必须是32位的整数倍，所以在必要时会在可选项后插入一些0以保证IP首部的要求。

TCP报文格式

TCP报文共分为TCP报头和TCP数据两个部分，如下图所示。TCP报头的前20个字节是固定的，后面有4×N个字节的选项（N为整数），因此TCP报头的最小长度是20字节。

TCP报文格式

TCP报头中各字段含义如下：

（1）源端口（Sourece Port）和目的端口（Destination Port）这两个字段分别表示源和目的端口。TCP报文中源和目的端口字段加上IP报文中源和目的IP地址字段，构成一个4元组<源端口，源IP地址，目的端口，目的IP地址>，唯一地标识一个TCP连接。

（2）发送序号（Sequence Number）、确认序号（Acknowledgment Number）和通告窗口（Advertised Window）字段都在TCP滑动窗口机制中用到。因为TCP是面向字节流的协议，所以报文段中的每个字节都有编号。发送序号字段给出了该TCP报文段中携带的数据的第1个字节分配的编号（SYN标志位为0）。如果在TCP报文中SYN标志位为1，则序号字段表示初始序号（Initial Sequence Number，ISN）。确认序号给出了接收方希望接收的下一个TCP报文段中数据流的第1个字节的编号。确认序号字段只有在ACK标志位为1时有效，而一旦TCP连接建立好，则这个确认序号字段一直有效。通告窗口字段给出了接收方返回给发送方关于接收缓存大小的情况。

（3）头部长度（Header Length）字段表示TCP报头长度，以32位为单位。TCP报头之所以需要这个字段，是因为TCP报头有一个选项字段，而选项字段的长度是可变的。头部长度字段为4位，意味着TCP报头的最大长度是60字节；如果TCP报头没有选项字段，则TCP报头的最小长度是20字节。

（4）6位的标志位（Flags）字段用于区分不同类型的TCP报文。目前用到的标志位有SYN、ACK、FIN、RST、PSH和URG。

.SYN：这个标志位用于TCP连接建立。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当请求连接时，SYN=1，ACK=0；当响应连接时，SYN=1，ACK=1。

.ACK：ACK标志位为1时，意味着确认序号字段有效。

.FIN：发送带有FIN标志位的TCP报文后，TCP连接将被断开。

.RST：这个标志位表示连接复位请求，用来复位那些产生错误的连接。

.URG：URG标志位为1时，表示TCP报文的数据段中包含紧急数据，紧急数据在TCP报文数据段的位置由紧急指针（Urgent Pointer）字段给出。

.PSH：这个标志位表示push操作。所谓push操作是指当TCP报文到达接收端以后，立即传送给应用进程，而不是在缓存中排队。

（5）校验和（Checksum）字段与UDP中的校验和字段用法完全相同，它是通过计算整个TCP报头、TCP数据，以及来自IP报头的源地址、目的地址、协议和TCP长度字段构成的伪头部得来的。TCP报文段中的校验和字段是必需的。

TCP最常用的选项字段是最大分段长度（Maximum Segment Size，MSS），即最大的数据分段长度。每个TCP连接的发起方在第一个报文（为建立TCP连接而发送将SYN标志位置为1的那个TCP报文）中就指明了这个选项，其值通常是发送方主机所连接的物理网络的最大传输单元（MTU）减去TCP报头长度（TCP报头长度的最小值为20字节）和IP报头长度（IP报头长度的最小值为20字节），这样可以避免发送主机对IP报文进行分段。

MSS选项字段只能出现在SYN标志位为1的TCP报文（即TCP连接建立请求报文和连接建立响应报文）中。如果TCP连接的另一方不接受发起方给出的MSS值（即双方“协商”不成功），则发起方就将MSS设定为默认值536字节（这个MSS默认值加上20字节TCP报头，再加上20字节IP报头等于576字节，而这正是X.25广域网的MTU）。

以太网

以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。

以太网传输介质

以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种，以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成：

（1）10：表示速率，单位是Mb/s。

（2）Base：表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。

（3）T：传输介质，T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。

传输介质的具体命名方案如下表所示，了解这些知识是十分必要的。

以太网传输介质表

以太网时隙

时间被分为离散的区间称为时隙（Slot Time）。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0，1或多个帧，分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。

设置时隙理由

在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。

在最坏情况下，检测到冲突所需的时间

若A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。

按照标准，10Mb/s以太网采用中继器时，连接最大长度为2500m，最多经过4个中继器，因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节，因此以太网帧的最小长度为64字节。

冲突发生的时段

（1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时的时段。

（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。

（3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后也就不会再发生冲突了。

提高传统以太网带宽的途径

以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展，网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。

交换以太网

以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议，因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错，但如果网络负载很大时，冲突会很常见，因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题，“交换式以太网”应运而生，这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是，其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口，那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍（这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽）。

交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是：

.减少了每个网段中的站点的数量；

.同时支持多个并发的通信连接。

网络交换机有三种交换机制：直通（Cut through）、存储转发（Store and forward）和碎片直通（Fragment free Cut through）。

交换式以太网具有几个优点：第一，它保留现有以太网的基础设施，保护了用户的投资；第二，提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽；第三，减少了冲突，提高了网络传输效率。

全双工以太网

全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽，即每个方向都支持10Mb/s，这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。

全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线，可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统，不同的是它使用一对双绞线进行发送，而使用另一对进行接收。这个方法是可行的，因为一般10Base-T布线是有冗余的（共4对双绞线）。

高速服务器连接

众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈，通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机（如24个10Mb/s端口，1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口），然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。

以太网的帧格式

以太网帧的格式如下图所示，包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据，以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

以太网的帧结构

注：字段的长度以字节为单位

前导码（P）字段占用8字节。

目的地址（DA）字段和源地址（SA）字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址，当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制数可表示为01：00：00：00：00：00，假如全部48位（每字节8位，6字节即48位）都是1时，该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。

类型（Type）字段占用两字节，表示数据的类型，如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包，而0x0806表示ARP数据包，0x8035表示RARP数据包。

数据（Data）字段占用46～1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据，如果数据不够长度，必须在不足的空间插入填充字节来补充。

帧校验序列（FCS）字段是32位（即4字节）的循环冗余码。

以太网的帧格式

以太网的帧结构

注：字段的长度以字节为单位

前导码（P）字段占用8字节。

类型（Type）字段占用两字节，表示数据的类型，如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包，而0x0806表示ARP数据包，0x8035表示RARP数据包。

数据（Data）字段占用46～1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据，如果数据不够长度，必须在不足的空间插入填充字节来补充。

帧校验序列（FCS）字段是32位（即4字节）的循环冗余码。

应用层

应用层是OSI/RM的最高层，是直接面向用户的一层，是计算机网络与最终用户间的界面。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等，在这一层中FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）、POP（Post Office Protocol，邮局协议）等协议得到了充分应用。

在实际情况中，常把会话层和表示层归入应用层，成为五层简化的OSI/RM。

TCP

TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通信完成时要拆除连接，由于TCP是面向连接的，所以只能用于端到端的通信。

TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术实现传输的可靠性。TCP还采用一种称为“滑动窗口”的方式进行流量控制，所谓窗口，实际表示接收能力，用以限制发送方的发送速度。

如果IP数据包中有已经封装好的TCP数据包，那么IP将把它们向“上”传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路之间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包则可以被重传。

TCP将它的信息发送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层、设备驱动程序和物理介质，最后传送到接收方。

面向连接的服务（例如Telnet、FTP、rlogin、X Windows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它们使用了TCP。DNS在某些情况下使用TCP（发送和接收域名数据库），但使用UDP传送有关单个主机的信息。

TCP/IP

由于OSI协议的实现较为复杂，运行效率低，很少有厂商推出符合OSI标准的商用产品。目前，互联网上广泛使用的是TCP/IP。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议／互联网络协议）是Internet上不同子网之间的主机进行数据交换所遵守的网络通信协议。TCP/IP一般泛指所有与Internet有关的一系列网络协议的总称，其中TCP和IP是其中最重要的两个协议。TCP/IP体系结构主要由四层构成，分别为网络接口层、网络层、传输层和应用层。

TCP/IP采用的四层体系结构与OSI参考模型采用的七层体系结构是对应的，它们的结构对比如下图所示。

TCP/IP与OSI体系结构的对比

网络接口层

网络接口层也称链路层（Link Layer）或数据链路层，相当于OSI/RM参考模型的第1层和第2层，负责与网络中的传输介质打交道。常用的链路层技术主要有以太网（Ethernet）、令牌环（Token Ring）、光纤数据分布接口（FDDI）、X.25、帧中继（Frame Relay）、ATM等。

网络层

网络层的作用是将数据包从源主机发送出去，并且使这些数据包独立地到达目标主机。数据包传送过程中，到达目标主机的顺序可能不同于它们被发送时的顺序。因为网络情况复杂，随时可能有一些路径发生故障或是网络中的某处出现数据包的堵塞。网络层提供的服务是不可靠的，可靠性由传输层实现。

传输层

传输层提供应用程序之间的通信。传输层提供了可靠的传输协议TCP和不可靠的传输协议UDP。TCP是一个可靠的、面向连接的协议，允许在因特网上的两台主机之间进行信息的无差错传输。在网络传输过程中，为了保证数据在网络中传输的正确、有序，要使用“连接”的概念，一个TCP连接是指在传输数据前先要传送三次握手信号，以使双方为数据的传送做准备。UDP是用户数据报协议，使用此协议时，源主机一有数据就发送出去，不管发送的数据包是否能到达目标主机、数据包是否会出错，收到数据包的主机都不会通知发送方其是否正确地收到了数据，因此UDP是一种不可靠的传输协议。

应用层

应用层直接为用户的应用进程提供服务，如支持万维网应用的HTTP，支持电子邮件的SMTP，支持文件传送的FTP等。

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