TCP头部-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ruan114514/article/details/149534850

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

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"。