TCP头部格式和封装

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- 12.3 TCP头部和封装

12.3 TCP头部和封装

下图显示了TCP在IP数据报中的封装：

TCP头部紧跟着IP头部或者IPv6扩展头部，经常是20字节（默认不带选项字段）。带选项字段的话，TCP头部最长可达60字节。常见的选项字段包括最大段大小，时间戳、窗口缩放和选择性ACK等。

TCP的头部要比UDP等协议的复杂的多，因为保持连接的每一段都需要支持最新的状态信息。TCP头部格式如下图所示：

TCP头部的标准长度为20字节，除非出现选项字段。头部长度字段以4字节为单位给出头部大小（最小值为5）。带阴影的字段（确认号（Acknowledagment Number）、窗口大小（Window Size）以及ECE位和ACK位）用于与该报文段的发送方关联的反方向上的数据流。

字段	长度	含义
源端口	16比特	源端口，标识哪个应用程序发送
目的端口	16比特	目的端口，标识哪个应用程序接收
序列号	32比特	序号字段。TCP链接中传输的数据流中每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。
确认号	32比特	确认号，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据字节序号加1。只有ACK标识为1，此字段有效。
首部长度	4比特	首部长度指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以32比特（4字节）为计算单位。最多有60字节的首部，若无选项字段，正常为20字节。
保留位	4比特	必须填0
CWR	1比特	拥塞窗口减（发送方降低它的发送速率）
ECE	1比特	ECN回显（发送方收到一个更早的拥塞通告）
URG	1比特	紧急指针有效标识。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送（相当于高优先级的数据）。很少被使用
ACK	1比特	确认序号有效标识。只有当ACK=1时确认号字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。
PSH	1比特	标识接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。接收到PSH = 1的TCP报文段，应尽快的交付接收应用进程，而不再等待整个缓存都填满了后再向上交付。
RST	1比特	重建连接标识。当RST=1时，表明TCP连接中出现严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立连接。
SYN	1比特	同步序号标识，用来发起一个连接。SYN=1表示这是一个连接请求或连接接受请求。
FIN	1比特	发端完成发送任务标识。用来释放一个连接。FIN=1表明此报文段的发送端的数据已经发送完毕，并要求释放连接。
窗口大小	16比特	窗口：TCP的流量控制，窗口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的字节数。窗口最大为65535字节。
校验和	16比特	校验字段，包括TCP首部和TCP数据，是一个强制性的字段，一定是由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，`要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部`。
紧急指针	16比特	紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。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。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
选项		选项字段。TCP协议最初只规定了一种选项，即最长报文段长度（数据字段加上TCP首部），又称为MSS。MSS告诉对方TCP“我的缓存所能接收的报文段的数据字段的最大长度是MSS个字节”。新的RFC规定有以下几种选型：选项表结束，无操作，最大报文段长度，窗口扩大因子，时间戳。窗口扩大因子：3字节，其中一个字节表示偏移值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数增大到（16+S），相当于把窗口值向左移动S位后获得实际的窗口大小。时间戳：10字节，其中最主要的字段是时间戳值（4字节）和时间戳回送应答字段（4字节）。选项确认选项：

12.3.1 端口号

每一个TCP头部都包含了源端口和目的端口。这两个值与IP头部中的源和目的IP地址唯一标识一个连接（四元组）。这个特点在TCP服务器同时与多个客户端提供服务时特别重要，服务器就是根据四元组信息（或者五元组信息）来确定客户端的。

12.3.2 序列号

用于判断接收方是否重复接收到某一报文以及报文的乱序重组功能

该字段标识了TCP发送端到TCP接收端的数据流中的一个字节，该字节代表着包含该序列号报文段的数据中的第一个字节。如果我们考虑在两个应用程序之间的一个方向上流动数据流，TCP给每一个字节赋予一个序列号。这个序列号是一个32位的无符号整数，到达2^32 -1 后再循环从0开始。因为每一个没交换的字节都被编号，确认号字段（ACK位置1，确认号字段生效）包含的值是数据的接收方（即ACK的发送方）期待接收到的下一个序列号。即最后被成功接收的数据字节序号加1。这个字段之后再ACK位被启动的情况才有效。

当建立一个连接时，从客户端发送至服务器的第一个报文段中的SYN位字段被启用。这样的报文段简称为SYN；并且序列号字段包含了在这个方向上要是用的第一个序列号，后续的序列号和返回的ACK都在这个方向上。
- 注意：这个初始的序列号不是0或1，而是随机生成的一个数值，成为初始序列号（Inital Sequence Number, 简称ISN）, ISN不是0/1，是为了提高安全性，防止被黑客攻击利用。
- 客户端发送的第一个报文时，第一个字节的序列号为ISN+1, 这意味着SYN报文消耗一个序列号，而消耗一个序列号意味着可以使用重传机制进行可靠传输。因此SYN、以及FIN报文是可以可靠传输的，而ACK报文不消耗序列号，因此无法保证ACK报文的可靠传输。
TCP可以被描述为“一种带积累正向确认的滑动窗口协议”。ACK确认号字段被用于构建知名在接收方已经顺序收到的最大字节（确认号 -1 = 成功接收的字节）。然而现代的TCP有一个选择确认（Selective Acknowledgment, SACK）选项，可以允许接收方告诉发送方它正确的接收到的次序杂乱的数据。当它与一个具有选择重发（selective repeat）能力的TCP进行通信时，可以显著的提高通讯效率。

12.3.3 头部长度

头部长度用来指出TCP头部的长度，以32比特为单位，由于存在选项字段，因此它是必须的。它的长度为4比特，因此TCP头部的长度限定为20~60字节（15*4=60），如果不带选项字段，即标准头部长度为20字节。

12.3.4 相关控制位

当前，为TCP头部定义了8位的字段，尽管有些老的实现只能理解最后的6位。

CWR : 拥塞窗口减（发送方减低它的发送速率）
ECE : ECN回显（发送方接收到了一个更早的拥塞通告）
URG : 紧急（紧急指针字段有效，很少被用到）
ACK : 确认（确认号字段有效，连接建立后一般都处于启用状态）
PSH : 推送（接收方应尽快给应用程序发送这个数据，目前没有可靠地实现或者用到）
RST : 重置连接（当前连接关闭，重新建立新的连接）
SYN : 用于初始化一个连接的同步序列号
FIN : 该报文的发送方已经没有数据要发送，请求对方关闭当前连接。

12.3.5 窗口大小

TCP的流量控制是通过通告窗口大小来控制实现的。这个窗口大小是指字节数，从确认号指定的，也就是从接收方想要接收的那个数据开始计算的。它是一个16比特的字段，因此限定了TCP的窗口大小最大为65535字节，从而限制了TCP的吞吐量性能。这个值可以通过窗口缩放手段进行修改。

12.3.6 校验和

TCP的校验和字段覆盖了TCP头部和TCP数据，还包括一个伪头部。这个字段是强制性的，必须由发送方计算和保存、接收方进行验证。它与计算UDP的校验和方式相同。

12.3.7 选项字段

选项字段最最重要的就是MSS字段（又称为最大段大小）。连接的每一个端点一般都在它的第一个SYN报文上指定MSS的值，用来标明自己希望接收的最大段的消息。