TCP报头详解-优快云博客

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TCP（传输控制协议）是互联网协议套件中的核心传输层协议，其报头（Header）包含了确保数据可靠传输的关键信息。以下是 TCP 报头的详细解析：

TCP 报头的结构与字段详解

TCP 报头通常由 20 字节的固定部分和可选的选项字段组成，各字段功能如下：

1. 源端口号（Source Port）- 16 位

作用：标识发送数据的应用程序端口，用于接收方回复时的源端口标识。

示例：客户端向 Web 服务器发起 HTTP 请求时，会随机选用一个 1024-65535 范围内的动态端口（如 50001）作为源端口，而 Web 服务器则使用 80 端口作为目标端口响应请求。

2. 目标端口号（Destination Port）- 16 位

作用：标识接收数据的应用程序端口，如 HTTP 默认使用 80 端口，HTTPS 使用 443 端口。

3. 序列号（Sequence Number）- 32 位

作用：
- 首次建立连接时（SYN 包），该值为初始序列号（ISN），后续按实际发送字节数递增。
- 为发送的每个字节数据分配唯一编号，用于接收方重组排序分片数据。

示例：若发送 100 字节数据，序列号为 N，则下一段数据序列号为 N+100。

4. 确认号（Acknowledgment Number）- 32 位

作用：
- 接收方用于告知发送方已成功接收的数据序列号，即期望接收的下一个字节编号。
- 若确认号为 M，表示序号 0 到 M-1 的字节已被正确接收。

示例：接收方收到序列号为 N 的 100 字节数据后，确认号会设为 N+100。

5. 数据偏移（Data Offset）- 4 位

作用：标识 TCP 报头的总长度（包含选项字段），单位为 4 字节（32 位）。

计算方式：例如值为 5，则报头长度为 5×4=20 字节（无选项字段时）。

6. 保留字段（Reserved）- 3 位

作用：保留给未来扩展使用，目前全为 0。

7. 控制位（Control Bits）- 9 位（标志位）（6+2+1）

标志位	缩写	作用描述
拥塞窗口减少标志	CWR	当发送方收到接收方设置了 ECE 标志位的确认报文后，知道网络出现拥塞，会调整拥塞窗口大小，并在后续发送的 TCP 报文中设置 CWR 标志，告知接收方自己已经采取了拥塞控制措施。
显式拥塞通知回显	ECE	当接收方收到的数据包中 IP 头部的 ECN 字段被设置为 “拥塞即将发生”，并且 TCP 头部的 SYN 标志位未置位时，接收方会在发回给发送方的确认报文中设置 ECE 标志，用于通知发送方网络出现了拥塞。
紧急指针有效	URG	标识报文中包含紧急数据，需优先处理。
确认有效	ACK	确认号字段有效，通常在连接建立后所有报文都需设置该位。
推送请求	PSH	通知接收方立即将数据交付应用层，无需等待缓冲区满。
重置连接	RST	重置连接，用于处理异常情况（如端口不可用）。
同步序列号	SYN	用于建立连接时同步序列号，发起连接（SYN=1）或响应连接（SYN=1, ACK=1）。
结束连接	FIN	标识发送方已完成数据传输，请求关闭连接。

8. 窗口大小（Window Size）- 16 位

作用：
- 接收方告知发送方当前接收缓冲区的空闲容量，单位为字节，用于流量控制。
- 窗口大小越大，发送方允许发送的数据量越多。

示例：窗口大小为 1000，表示接收方最多可接收 1000 字节数据。

9. 校验和（Checksum）- 16 位

作用：
- 用于检测 TCP 报文在传输过程中是否发生错误，校验范围包括报头、数据及伪报头（IP 层信息）。
- 发送方计算校验和，接收方重新计算并验证，若不一致则丢弃报文。

10. 紧急指针（Urgent Pointer）- 16 位

作用：
- 当 URG 标志位为 1 时有效，标识紧急数据的末尾位置（相对于序列号的偏移量）。
- 紧急数据可跳过正常缓冲区处理，优先交付应用层。

11. 选项字段（Options）- 可选，长度可变

常见选项：
- 最大段大小（MSS）：告知对方本端能接收的最大 TCP 数据段长度，通常在 SYN 包中发送。
- 窗口扩大因子（Window Scale）：扩展窗口大小的表示范围（超过 65535 字节）。
- 时间戳（Timestamp）：用于计算往返时间（RTT），优化拥塞控制。
- 长度限制：选项总长度需为 4 字节的倍数，不足时用填充位（0）补齐。

TCP 报头的可视化结构

1               2               3               4            
7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0   ________
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     Source Port (16)          |  Destination Port (16)      |    
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+    固
|                    Sequence Number                          |    定
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+    报
|                    Acknowledgment Number                    |    头
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+    长
|Data   |Rese-| Control Bits    |      Window Size            |    长
|Offset |rved |  C E U A P R S F|                             |    20
|       |     |  W C R C S S Y I|                             |    个
|       |     |  R E G K H T N N|                             |    字
|  (4b) |(3b) |     (9b)        |          (16b)              |    节
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+    
|           Checksum (16b)      |   Urgent Pointer (16b)      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+    ---
|                    Options (if any)       |    Padding      |   可变长度报头(4N)
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+   ————————
|                             Data                            |   字节流数据
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

TCP 报头的关键作用

可靠传输：通过序列号、确认号和重传机制确保数据按序到达。

流量控制：利用窗口大小字段避免发送方过载接收方。

连接管理：通过 SYN、ACK、FIN 等标志位实现三次握手和四次挥手。

错误检测：校验和字段确保数据完整性。

扩展知识：TCP 与 UDP 报头的对比

字段	TCP 报头	UDP 报头
源 / 目标端口	包含	包含
序列号 / 确认号	包含（可靠传输）	无
控制位	包含（SYN/ACK/FIN 等）	无
窗口大小	包含（流量控制）	无
校验和	必须计算	可选
紧急指针	包含	无
选项字段	可选	无
报头长度	20 字节（固定部分）	8 字节
传输特性	面向连接，可靠	无连接，不可靠