IP、TCP、UDP数据包长度问题

一时失言乱红尘 2022-03-08 11:12 568阅读 0赞

概念：

以太网(Ethernet)数据帧的长度必须在46-1500字节之间,这是由以太网的物理特性决定的.  
这个1500字节被称为链路层的MTU(最大传输单元). 但这并不是指链路层的长度被限制在1500字节,其实这这个MTU指的是链路层的数据区.并不包括链路层的首部和尾部的18个字节.  
所以,事实上,这个1500字节就是网络层IP数据报的长度限制.  
因为IP数据报的首部为20字节,所以IP数据报的数据区长度最大为1480字节.  
而这个1480字节就是用来放TCP传来的TCP报文段或UDP传来的UDP数据报的.  
又因为UDP数据报的首部8字节,所以UDP数据报的数据区最大长度为1472字节.  
这个1472字节就是我们可以使用的字节数。

以下是分析：  
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**1.IP数据包长度问题总结**

首先要看TCP/IP协议，涉及到四层：链路层，网络层，传输层，应用层。　　  
其中以太网（Ethernet）的数据帧在链路层 　　  
IP包在网络层　　  
TCP或UDP包在传输层 　　  
TCP或UDP中的数据（Data)在应用层 　　  
它们的关系是 数据帧｛IP包｛TCP或UDP包｛Data｝｝｝　　  
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在应用[程序][Link 1]中我们用到的Data的长度最大是多少，直接取决于底层的限制。 　　  
我们从下到上分析一下： 　　  
1.在链路层，由以太网的物理特性决定了数据帧的长度为（46＋18）－（1500＋18），其中的18是数据帧的头和尾，也就是说数据帧的内容最大为1500（不包括帧头和帧尾），即MTU（Maximum  
Transmission Unit）为1500； 　  
2.在网络层，因为IP包的首部要占用20字节，所以这的MTU为1500－20＝1480；　  
3.在传输层，对于UDP包的首部要占用8字节，所以这的MTU为1480－8＝1472； 　　  
所以，在应用层，你的Data最大长度为1472。（当我们的UDP包中的数据多于MTU(1472)时，发送方的IP层需要分片fragmentation进行传输，而在接收方IP层则需要进行数据报重 组，由于UDP是不可靠的传输协议，如果分片丢失导致重组失败，将导致UDP数据包被丢弃）。  
　　  
从上面的分析来看，在普通的局域网环境下，UDP的数据最大为1472字节最好（避免分片重组）。　　  
但在网络编程中，Internet中的路由器可能有设置成不同的值（小于默认值），Internet上的标准MTU值为576，所以Internet的UDP编程时数据长度最好在576－20－8＝548字节以内。  
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**2. 那么就一个问题， 用[wireshark][]捕包。 为什么frame那一行是1514bytes？**

以太网封装IP数据包的最大长度是1500字节，也就是说以太网最大帧长应该是以太网首部加上1500，再加上7字节的前导同步码和1字节的帧开始定界符，具体就是：7字节前导同步吗＋1字节帧开始定界符＋6字节的目的MAC＋6字节的源MAC＋2字节的帧类型＋1500＋4字节的[CRC校验][CRC]。

按照上述，最大帧应该是1526字节，但是实际上我们抓包得到的最大帧是1514字节，为什么不是1526字节呢？原因是当数据帧到达网卡时，在物理层上网卡要先去掉前导同步码和帧开始定界符，然后对帧进行CRC检验，如果帧校验和错，就丢弃此帧。如果校验和正确，就判断帧的目的硬件地址是否符合自己的接收条件（目的地址是自己的物理硬件地址、广播地址、可接收的多播硬件地址等），如果符合，就将帧交“设备驱动程序”做进一步处理。这时我们的抓包软件才能抓到数据，因此，抓包软件抓到的是去掉前导同步码、帧开始分界符、CRC校验之外的数据，其最大值是6＋6＋2＋1500＝1514。

如下图：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> Preamble </td> 
 <td> Destination MAC address </td> 
 <td> Source MAC address </td> 
 <td> Type/Length </td> 
 <td> User Data </td> 
 <td> Frame Check Sequence (FCS) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 8 </td> 
 <td> 6 </td> 
 <td> 6 </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 46 - 1500 </td> 
 <td> 4 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

[Link 1]: http://www.xuebuyuan.com/
[wireshark]: https://www.baidu.com/s?wd=wireshark&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
[CRC]: https://www.baidu.com/s?wd=CRC%E6%A0%A1%E9%AA%8C&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1Y3uAubPhPWuHT1m1D1rHI-0ZwV5Hcvrjm3rH6sPfKWUMw85HfYnjn4nH6sgvPsT6KdThsqpZwYTjCEQLGCpyw9Uz4Bmy-bIi4WUvYETgN-TLwGUv3EnWmzn164nj6vrHckPWDknWfd