TCP头部

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#tcp/ip #网络 #java

于 2025-07-22 14:19:50 首次发布

TCP头部字段详解

1. 源端口和目的端口（各16位）

功能：标识发送和接收应用程序
范围：0-65535（0-1023为知名端口）
技术细节：
- 客户端通常使用临时端口（1024-65535）
- 服务端使用固定端口（如HTTP=80, HTTPS=443）
- 支持端口复用（SO_REUSEPORT选项）

// Linux内核端口选择算法 (net/ipv4/inet_connection_sock.c)
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {
    // ... 实现端口自动选择和冲突处理
}

2. 序列号（32位）

功能：标识发送的数据字节流
初始序列号（ISN）：基于时钟的随机算法（RFC 6528）
- 防止序列号预测攻击
- 避免旧连接的报文干扰

内核实现：

// Linux ISN生成算法 (net/ipv4/tcp_ipv4.c)
u32 secure_tcp_seq(__be32 saddr, __be32 daddr,
                   __be16 sport, __be16 dport) {
    // 使用SipHash加密算法生成
}

回绕处理：当序列号达到2^32-1时回绕到0

3. 确认号（32位）

功能：期望收到的下一个字节的序列号
累积确认机制：确认号N表示所有小于N的字节已收到
选择性确认（SACK）：通过TCP选项实现非连续确认

4. 数据偏移（4位）

功能：指定TCP头部长度（以4字节为单位）
计算：头部长度 = 数据偏移 × 4
范围：5（最小20字节）到15（最大60字节）

5. 保留位（4位）

必须置0，为未来协议扩展保留
实际使用中可能被实验性协议使用（需IANA批准）

6. 控制标志（9位）

标志位	名称	功能	应用场景
URG	紧急指针	指示紧急数据处理	Telnet中断命令
ACK	确认	确认号字段有效	所有数据传输
PSH	推送	要求立即交付数据	实时交互应用
RST	重置	立即终止连接	端口扫描防御
SYN	同步	建立连接同步序列号	三次握手
FIN	结束	发送方完成数据发送	四次挥手

标志组合示例：

SYN+ACK：连接建立响应
FIN+ACK：正常连接终止
PSH+ACK：即时数据传输

7. 窗口大小（16位）

功能：接收方通告的可用缓冲区大小
流量控制机制：动态调整发送速率

窗口缩放选项：通过选项扩展窗口大小（最高1GB）

// Linux内核窗口缩放处理 (net/ipv4/tcp_input.c)
void tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) {
    // ... 处理窗口缩放选项
}

零窗口探测：当窗口为0时发送探测报文

8. 校验和（16位）

10. 选项字段（可变长度）

选项结构：

+--------+--------+--------+--------+
| Kind   | Length | Data...         |
+--------+--------+--------+--------+

核心选项详解：

覆盖范围：TCP头部+数据+伪头部

伪头部结构：

0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|          source address           |
+--------+--------+--------+--------+
|        destination address        |
+--------+--------+--------+--------+
|  zero  |  PTCL  |    TCP length   |
+--------+--------+--------+--------+

计算算法：

uint16_t tcp_checksum(const void *buff, size_t len, in_addr_t src_addr, in_addr_t dest_addr) {
    uint32_t sum = 0;
    const uint16_t *ptr = buff;
  
    // 伪头部计算
    struct pseudo_header psh = {src_addr, dest_addr, htons(IPPROTO_TCP), htons(len)};
    sum = calculate(&psh, sizeof(psh));
  
    // 数据计算
    while (len > 1) {
        sum += *ptr++;
        len -= 2;
    }
    if (len > 0) sum += (*ptr) & htons(0xFF00);
  
    // 折叠进位
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    return (uint16_t)(~sum);
}

9. 紧急指针（16位）

功能：当URG=1时，指示紧急数据结束位置
计算：紧急数据结束 = 序列号 + 紧急指针
实际应用：SSH/Telnet的中断命令（Ctrl+C）

Kind	名称	长度	功能
0	选项结束	1	选项列表结束
1	无操作	1	选项填充
2	最大报文段	4	协商MSS（通常1460）
3	窗口扩大因子	3	窗口缩放（2^14倍）
4	选择性确认	2	启用SACK功能
5	SACK块	可变	非连续接收的数据块
8	时间戳	10	RTT测量和PAWS保护
28	用户超时	4	连接超时设置
29	认证	可变	TCP-AO安全认证

以超时重传为例，假设客户端（Client）向服务器（Server）发送数据包，但未收到ACK确认。

场景步骤：

Client发送数据包（初始传输）：

TCP头部包含选项字段（如时间戳）：

数据偏移 = 8（头部总长32字节 = 8 × 4）
选项字段：时间戳（Timestamp）值 = T1
序列号（Seq） = 100
数据 = "Hello"

数据包结构：

| 20字节固定头部 | 12字节选项（时间戳） | 数据 "Hello" |

Server未收到该包（可能因网络拥塞丢失）：

Client在重传超时（RTO） 后未收到ACK，触发重传。

Client重传数据包

数据偏移 = 8（长度不变）
选项字段：时间戳值 = T2（T2 > T1）
序列号（Seq）仍为 100（相同数据）
数据 = "Hello"（不变）

关键点分析：

选项长度一致性：重传时数据偏移值仍为8，表明头部长度未变（选项字段仍存在）。
选项内容变化：时间戳更新（T1 → T2），帮助计算RTT（往返时间）和重传延迟。
接收方处理：Server通过数据偏移=8跳过32字节头部，直接解析数据"Hello"。