TCP之服务与首部

1. TCP 的服务

TCP 通过下列方式提供可靠性：

• 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。与 UDP 不同，UDP 应用程序产生的数据报长度将保持不变。由 TCP 传递给 IP 的信息单位称为报文段或段（segment）。
• 当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
• 当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送的，通常将推迟几分之一秒。
• TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段（希望发送端超时并重发）。
• 既然 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输，而 IP 数据报的到达可能会失序，因此 TCP 报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP 将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。
• 既然 IP 数据报会发生重复，TCP 的接收端必须丢弃重复的数据。
• TCP 还能提供流量控制。TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

2. TCP 的首部

TCP 数据被封装在一个 IP 数据报中，如下图。

TCP 数据在 IP 数据报中的封装

下图显示 TCP 首部的数据格式。如果不计任选字段，它通常是 20 个字节。

TCP 包首部

1. 源/目的 端口号（各 16bit）

• 每个 TCP 段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发送端和接收端应用进程。这两个值加上 IP 首部中的源端 IP 地址和目的端 IP 地址唯一确认一个 TCP 连接。
• 一个 IP 地址和一个端口号称为一个插口（socket）。插口对（socket pair）（包含客户 IP 地址、客户端口号、服务器 IP 地址和服务器端口号的四元组）可唯一确定互联网络中每个 TCP 连接的双方。

2. 序号（32bit）

• 序号用来标志从 TCP 发送端向 TCP 接收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 TCP 用序号对每个字节进行计数。序号是 32 bit 的无符号数，序号到达 2^32 - 1 后又从 0 开始。
• 当建立一个新的连接时，SYN 标志变 1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号 ISN（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 ISN 加 1，因为 SYN 标志消耗了一个序号。

3. 确认序号（32bit）

• 既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1。只有 ACK 标志为 1 时确认序号字段才有效。
• 发送 ACK 无需任何代价，因为 32 bit 的确认序号字段和 ACK 标志一样，总是 TCP 首部的一部分，因此，我们看到一旦一个连接建立起来，这个字段总是被设置，ACK 标志也总是被设置为 1。
• TCP 为应用层提供全双工服务。这意味着数据能在两个方向上独立地进行传输。因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。
• TCP 可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议。我们说 TCP 缺少 选择确认 是因为 TCP 首部中的确认序号表示发送方已成功收到字节，但还不包含确认序号所指的字节。当前还无法对数据流中选定的部分进行确认。例如，如果 1~1024 字节已经成功收到，下一报文段中包含序号从 2049~3072 的字节，收端并不能确认这个新的报文段。它所能做的就是发回一个确认序号为 1025 的 ACK。它也无法对一个报文段进行否认。例如，如果收到包含 1025~2048 字节的报文段，但它的检验和错了，TCP 接收端所能做的就是发回一个确认序号为 1025 的 ACK。

4. 首部长度（4bit）

首部长度给出首部中 32 bit 字的数目。需要这个值是因为任选字段的长度是可变的。这个字段占 4bit，因此 TCP 最多有 60 字节的首部。然后，没有任选字段，正常的长度是 20 字节。

5. 标志比特（6bit）

在 TCP 首部中有 6 个标志比特。它们中的多个可同时被设置为 1。6 个标志比特分别如下：

• URG: 紧急指针（urgent pointer）有效
• ACK：确认序号有效
• PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层
• RST：重建连接
• SYN：同步序号用来发起一个连接
• FIN：发端完整发送任务

6. 窗口大小（16bit）

TCP 的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收到的字节。窗口大小是一个 16 bit 字段，因为窗口大小最大为 65535 字节。

7. 检验和（16bit）

检验和覆盖了整个的 TCP 报文段：TCP 首部和 TCP 数据。这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。TCP 检验和的计算和 UDP 检验和的计算相似。

8. 紧急指针（16bit）

只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。

9. 可选字段

最常见的可选字段就是最长报文大小，又称为 MSS（Maximum Segment Size）。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置 SYN 标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。

如下图是 TCP 客户端发起连接时发送的第一个包：SYN