【汇总】TCP协议，您懂多少？
简介
Internet Control Messages Protocol 因特网控制报文协议，经常被认为是IP层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的信息。ICMP报文通常被IP层或更高层协议（TCP或 UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户。
ICMP是在IP数据报文中，直接传输。
不同类型由报文中的类型字段和代码字段来共同决定 ,比如 type 为8 Code 为0，那么这个为ICMP的Echo request 如果Type 为0 Code为0 那么就为ICMP的 reply 还包含很重要的Identifier 2个字节：用于区分不同进程的应用。比如，Ping测试，开启了两个窗口，它用于这个标识这个Request 与Reply到低属于第一个窗口，还是第二个窗口。
Sequence Number：2个字节：用于对应请求与响应 ：比如，我们都知道一个Ping ，在cisco路由器上会发送5个，那么第一个Request Sequence number为1 ，如果收到了关于第一个Request的回应，那么这个reply的Sequence number也为1，如果丢失了，那么就没有响应。
R1——————–R2， 测试 R1发送两次 ping包，得到的抓包结果
可以从 id=0x0001,Seq=1/256 发现Requset 与reply都为1，第二个Requset为2，reply也为2 那么展开看看Identifier的标识,都显示为1， 开始发送第二个Ping包。
抓包结果，Id=0x0003，下面一个Identifier也为3，
Ping通过Sequence Number与ID标识，正确的回显了Request与reply的信息，并且它们的数据中通常Requset与reply是不同的，它们依靠这个计算出源到达目往返使用的时间。
下面是ICMP的详细类型与代码信息。这才是正真有用的东西。
CMP 另外一个重大的作用是，当一个应用程序出现某些错误或者不可达的信息时候，会返回一个ICMP差错报文，用于告诉源这个错误的信息，如果在开发程序的时 候，调用了这个机制，那么当收到这个错误信息，提交给应用程序的时候，这个程序会自动断开服务，并且报错，比如 我们在路由器上常用的telnet ，如果被ACL拒绝了，会显示一个ICMP错误信息，提示 Destination unreachable; gateway or host down，这对故障排错是很有作用的。
以太网 | IP首部 | ICMP首部 | IP 首部 | 8字节差错数据包
当 发送一份ICMP 差错报文时，报文始终包含IP的首部和产生ICMP差错报文的IP数据包的前8个字节。这8个字节标识的是是哪种协议产生的差错（比如TCP UDP，会标识它的源目端口号 TCP还会有序列号） 由于告诉源的应用程序 然后由这个应用程序发送差错提示
R1———–R2————R3 R3上写了ACL决绝R1的流量，R1 Telnet R3，返回了一个ICMP错误消息
上面已经提到过，一个差错报文始终包含IP的首部和IP数据包的前8个字节，也就是说不包含IP首部在内 ，就是TCP的源目端口与序列号。
仔细看这个抓包的结果，有两个IP头部，那么表达的意思是什么。
首先第一个IP首部，标识产生这个ICMP差错报文的源是谁（这里是R3拒绝掉流量，所以为R3） 标识的类型为3，code为13，通过上面的对应表 可以看出是由于过滤，通信不可达。
第二个IP首部，标识了这个Telnet的发起端为谁，（这里为R1） 并且标识了因为什么协议产生的差错
这 样做，是为了保证源端在运行许多应用程序的情况下，能清楚的知道是因为什么程序而出错，然后通过这个错误回显给应用程序，如果编程人员在设计代码的时候， 调用了这个机制，那么就能立即停止服务 并且报错，如果，没有这个机制，那么就会一直发送请求。比如 TFTP，它是不会识别这种差错报文，所以 我们通常在做TFTP升级IOS 或者配置的时候，由于没打开TFTP软件，服务器发送了差错报文，但是TFTP识别不了，就会一直在请求当中。 这对我们排错也非常有用，能有效的了解到流量是在哪被过滤或者出错的。 建议在内部网络中开启ICMP的应答，在边界网络关闭，因为对于外部的恶意流量，没必要回答这个消息，浪费路由器资源，通过 no ip unreachables
也可以通过debug ip icmp,会得到一个提示。
Tracerouter的实现：Tracerouter是为了解决IP提供的可选字段中的路径记录功能不足而开发的，因为路径记录只能记录9个地址的存在，并且包括来回，并不适应现网络的环境，而Tracerouter利用TTL，来达到路径记录的特效。
Tracerouter的原理：在Tracerouter一个目的的时候，源端会发送3个大于30000端口的UDP报文，TTL=1，当第一个路由器收 到以后，会把TTL置0，而丢弃这个数据包，并返回一个ICMP TTL exceeded的消息，当源收到这个错误消息后，再次发送3个大于30000端口UDP报文，TTL=2，当传达到第二个路由器的时候，把TTL置0， 丢弃这个数据，并返回ICMP TTL exceeded消息，当源收到以后，继续发送UDP报文，TTL=3，这样直到到达目的地，当目的主机收到以后，发现是给自己的数据包，发现自己并没有 打开关于这个UDP端口号的服务，
（大于30000端口，就是为了确保目的端没有使用这个端口）从而回复一个“端口不可达”错误的ICMP消息，从而实现路径记录的功能，因为回显错误信息中，都包含了它们的地址。
R1———R2—————-R3, R1上Tracerouter R3，经过了2跳，所以看到有关于6个UDP的数据包，发现前面的都是 TTL exceeded，而最后一个是 Destination Unreachalbe
最后一个关于分片：分片在网络中，经常出现，但是在现代的网络中 因该合理的控制MTU，避免不必要的分片，特别是UDP的数据，最容易造成分片，TCP由于有流量控制与MSS机制。 分片最容易出现在VPN的网络中，因为VPN在加密的情况下，使用ESP 、tunnel Mode、GRE、等协议，还会产生新的头部，往往会超过IP MTU 1500， 至于为什么是1500，后面会解释，先介绍下特点
IP分片：1、IP把MTU与数据长度进行比较
2、如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上
3、把一个IP数据包分片以后，只有到达目的地才进行重新组装。（FR fragment）
4、重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装的过程对运输层（TCP和UDP）是透明的。
5、已经分片的数据包有可能再次进行分片（可能不只一次）
6、当IP数据包被分片以后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并且选择路由的时候与其他分片独立，这样，当数据包到达目的地的时候，可能不是同一路径，会失序，但是IP首部中有足够的信息让
接收端能正确的组装这些分片 比如是ICMP、TCP与UDP的流量话，那么只有第一个分片有ICMP、TCP或UDP的首部信息，其余的都没有。 而且这些头部信息，也算在数据部分里面。
7、尽管IP分片在过程中看起来是透明的，但是如果中途丢失了其中一个分片的话，那么整个数据包重新发送。
8、IP层本身没有超时重传机制————它必须依靠高层来提供可靠性（TCP有超时和重传机制，但UDP没有。一些UDP 应用程序本身提供超时和重传），当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重新发送整个
TCP报文段，不能只重传某一片数据报。
比如一个TCP的数据大小为2000，分成两个分片，但是其中一个丢失了，那么TCP会发送重传机制，但是重传的是整个数据包，因为TCP是需要对整个数据包最确认，而不是分片，而且分片对于TCP和UDP是透明的。
9、如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端，那么起始端系统无法知道数据报如何被分片。所以，经常要避免分片的存在。
由 于以太网EthernetII最大的数据帧是1518Bytes，除去以太网帧的帧头（DMAC目的MAC地址 48bit=6Bytes+SMAC源MAC地址48bit=6Bytes+Type域2bytes）14Bytes和帧尾CRC校验部分4Bytes （这个部份有时候大家也把它叫做FCS），那么剩下承载上层协议的地方也就是Data域最大就只能有1500Bytes，这个值我们就把它称之为MTU， 也就是指IP MTU。
这个MTU就是网络层协议非常关心的地方，因为网络层协议比如IP协议会根据这个值来决定是否把上层传下来的数据进行分 片。就好比一个盒子没法装下一大块面包，我们需要把面包切成片，装在多个盒子里面一样的道理。当两台远程PC互联的时候，它们的数据需要穿过很多的路由器 和各种各样的网络媒介才能到达对端，网络中不同媒介的MTU各不相同，就好比一长段的水管，由不同粗细的水管组成（MTU不同 ）通过这段水管最大水量就要由中间最细的水管决定。
比如一个 数据包为1501，如下图
分成了两个分片，其中第一个分片包含UDP的首部，而第二个分片没有标识，只有IP的首部。 这样，如果中间经过了PAT的设备或者防火墙，很有可能造成丢失，而分片的丢失，代表整个数据包全部丢弃，UDP没有重传机制。
R1———R2————R3 ，这里我把R2的出接口MTU改为200， 我用R1 Ping 大小为1000，只发送一个Request
这里得到了5个分片包，这是软件的问题，通过Sniffer 之类的抓取的话，会有6个分片，不过可以通过计算算出来，
这是第一个分片，但是不知道为什么 这个软件也没有在第一个分片上显示ICMP的头部信息，其他软件都会显示。
首先，先看下我发送了一个1000字节的数据包，这1000字节包括了 20字节的IP首部 ，和ICMP 8字节的首部，那么数据部分因该是972，先看下未分片之前的抓包。 Data 为972
为什么分片的数据部分只有176呢 ，加上20字节的首部也并没有达到接口的200，那是分片中有一个规定 在分片的时候，除最后一片外，其他每一片中的数据部分（除IP首部外的最后一个分片）必须是8字节的整数倍。 所以这里为176，而不是180.
这里注意的是，第一个分片中，通常会包含协议的头部信息，比如TCP UDP、这里因该是ICMP的头部，但这个软件并没有显示，直接显示数据大小为176，实际因该是168+ICMP 8字节头部。
之 间说因该有6个分片，而这里只显示了5个分片，可能是软件的一种优化，但是，挺不习惯的。 这里5个分片数据部分都为176，所以176*5=880， 而实际数据部分是 972+ICMP 8字节 980，所以最后一个分片的数据部分是 980-880=100
关于MTU的探测：我们通常探测MTU，因该要探测路径MUT，所谓路径MTU，是指这个源到目的中出口接口最小的MTU，因为MTU属于单方向的，而返回的MTU可能与去的MTU不一致。
在一般的路由器上都有这样的功能。路径MTU发现机制，这对我们实施VPN和修改接口MTU是很有帮助的。
环境还是之前 R1——–R2———R3 R2出接口MTU为200， R1ping的时候，把DF位置位，不允许这个数据包分片，那么当接口小的MTU丢弃这个数据包的时候，会返回一个分片不可达的差错报文 。
MTU of next hop:200 ，这对于一个VPN的网络是很有帮助的，通常我遇到的朋友在实施VPN的时候，说流量大的时候性能非常不好，速度非常慢，而且会有时候丢包，这大部分原因 是因为分片造成的，VPN的加解密本来就很消耗路由器的资源，加上对分片的处理，VPN情况下，分片也会加密，而且对于PAT的穿越性 很不好， 所以造成性能下降。
这个是通过debug显示不出来的，但是cisco 路由器上可以通过扩展Ping 来实现，而且更直观
R1——-R2———R3 这里我把R2的接口MTU改为500，方便测试，在R1是使用扩展Ping
这里的 注意是DF位置位， 并且使用路径记录， 设置包大小的范围，我这里从100开始 到700，间隔100，也是每次发100大小的包测试。
没超过MTU之前 都有路径记录，并且数据包通过了，当在600的时候，由于超出了MTU的范围，需要分片，而我又把DF置位了，它就会提示Maximum MTU 500 ，就是表示到达目的的MTU最大为500.
所以，特别在做VPN实施的时候， 不要认为隧道建立了，流量能通过了 就代表完善了，一定要注意MTU的范围，这个可以通过IP头部+其他头部信息 计算可以得出来。
特别说明
对 于网络层的上层协议而言（我们以TCP/IP协议族为例），网络层IP协议会检查每个从上层协议下来的数据包的大小，并根据本机MTU的大小决定是否作 “分片”处理。分片最大的坏处就是降低了传输性能，本来一次可以搞定的事情，分成多次搞定，所以在网络层更高一层（就是传输层）的实现中往往会对此加以注 意！有些高层因为某些原因就会要求我这个面包不能切片，我要完整地面包，所以会在IP数据包包头里面加上一个标签：DF（Donot Fragment）。这样当这个IP数据包在一大段网络（水管里面）传输的时候，如果遇到MTU小于IP数据包的情况，转发设备就会根据要求丢弃这个数据 包，然后返回一个错误信息给发送者。这样往往会造成某些通讯上的问题，不过幸运的是大部分网络链路MTU都是等于1500或者大于1500。
对于 UDP协议而言，这个协议本身是无连接的协议，对数据包的到达顺序以及是否正确到达不甚关心，所以一般UDP应用对分片没有特殊要求。对于TCP协议而言 就不一样了，这个协议是面向连接的协议，对于TCP协议而言它非常在意数据包的到达顺序以及是否传输中有错误发生。所以有些TCP应用对分片有要求— 不能分片（DF）。
2、 MSS
MSS是最大传输大小的缩写，它是TCP协议里面的一个概念。如下图1-1所示：
图1-1 TCP头部
注：URG等参数指的是 ACK URG PSH SIN FIN RST等参数
在 TCP报文中 MSS的位置就在选项的位置，根据RFC1323和RFC793规定，选项中内容有很多种，MSS是其中的一种，用kind=2表示；kind=1表示无 操作，kind=4、5、6、7称为选择ACK及回显选项，但是由于回显选项已经被时间戳选项取代，同时，目前定义的选择ACK选项仍未定论，也没有包括 在RFC1323中，所以具体代表什么含义还无定论。在实际网络数据传输，要求MSS+20TCP包头 +20 IP包头不大于MTU。MSS在TCP报文中是可选项，不是必选项，换句话说，MSS是可协商项，而且在协商过后，该选项内容可以改变，也可以没有；在协 商MSS时，一般是建立TCP连结的两端发送Syn标志报文时互相通报，然后选取最小MSS作为双方的约定，如果双方都不通报或有一方不通报。
MSS 就是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段。为了达到最佳的传输效能，TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，这个值TCP协议在实现的 时候往往用MTU值代替（需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes），所以往往MSS为1460。通讯双方会根据 双方提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。
3. 区别及联系
由前面的叙述可知：MTU是一个二层的概念，以太网 最大的mtu就是1500（它是不包含二层头部的，加上头部应该为1518 bytes），当然这里说的是很常规的情况，也有些server，比如server 2008，出来的就是jumbo frame了，我们在这里讨论常规情况。IP MTU是一个三层概念，它包含了三层头部及所有载荷，根据下层为上层服务的，上层基于下层才能做进一步的扩展的原则，尽管IP MTU的变化范围很大（68-65535），但也不得不照顾以太网MTU的限制,说白了就是ip对以太网的妥协。MSS是TCP里面的一个概念，它是 TCP数据包每次能够传输的最大数据分段，不包含包头部分，它与IP MTU满足如下关系：IP MTU=MSS+20bytes（IP包头）+20bytes（TCP包头）。当然，如果传输的时候还承载有其他协议，还要加些包头在前面，简言 之，mtu就是总的最后发出去的报文大小，MSS就是需要发出去的数据大小，比如PPPoE，就是在以太网上承载PPP协议（点到点连接协议），它包括 6bytes的PPPoE头部和2bytes的PPP协议ID号，此时，由于以太网的MTU值为1500，所以上层PPP负载数据不能超过1492字节， 也就是相当于在PPPOE环境下的MTU是1492字节，MSS是1452字节。
4. MTU问题解决方法
通常情况下，MTU不匹配会表现为两种故障情况：
ping大包时不通无法访问某些站点
在这种情况下，通常有两种解决方法：
修改用户端MTU值（不推荐使用）修改传输路由所有设备MTU值，确保路径MTU值大于用户发送的IP报文的长度，以保证用户报文不会因为超过设备的MTU值被丢弃。主要要考虑下面几种情况：
· 对于纯IP网络，要保证：路径MTU值>最大用户报文长度
· 对于纯MPLS网络（没有VPN业务），要保证路径MTU值>最大用户报文＋一层标签长度（4）
· 对于三层VPN业务，要保证：路径MTU值>最大用户报文＋两层标签长度（8）；
· 对于二层VPN业务，要保证：路由MTU值>最大用户报文长度＋两处标签长度（8）＋二层帧头长度（18）。
值得注意的是：fastethernet接口不能调整MTU，所以说在有些设备中，使用MTU命令不能解决问题的。此外，更改MTU后，如果IGP是OSPF的话，不同的MTU可能会造成OSPF 停留在INIT状态，此时需要将两端的MTU调整一致。
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