tcp-首部

一、TCP 报文段的首部的由来

• TCP是面向字节流的，但传送的数据单元却是报文段
  • 面向字节流是针对应用层而言
  • 报文段则是网络层，TCP在发送数据时，是从发送缓存取出一部分或全部字节并给其添加一个首部使之成为TCP报文段后进行发送。
• 一个TCP报文段分为：首部和数据两部分，TCP的全部功能都体现在首部中各个字段的作用
• TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面可以增加4n（n为整数）

二、格式：

 1、源端口：

占16比特，写入源端口号，用来标识发送该TCP报文段的应用进程。

2、目的端口：

占16比特，写入目的端口号，用来标识接收该TCP报文段的应用进程。

3、序号：

占4字节。序号范围是【0，2^32 - 1】，序号增加到2^32-1后，下一个序号就又回到0。

在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，首部中的序号字段值则是指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

4、确认号：

占4字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。例如，B正确收到了A发送过来的一个报文段，其序号字段值是501，而数据长度是200字节（序号501~700），这表明B正确收到了A发送的到序号700为止的数据。因此，B期望收到A的下一个数据序号是701，于是B在发送给A的确认报文段中把确认号置为701。注意，现在确认号不是501，也不是700，而是701。若确认号为N，则表明，到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。

5、确认ACK（ACKnowledgment）：

仅当ACK = 1时确认号字段才有效，当ACK = 0时确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有的传送的报文段都必须把ACK置为1。

note：客户端和服务端各自维护这自己的序号！！！

6、数据偏移 ：

占4 bit，它指出TCP报文段的数据载荷部分的起始处距离TCP报文段的起始处有多远（这个多远的单位是4字节），这个字段实际上是指出TCP报文段的首部长度。

由于4位二进制数能表示的最大十进制数字是15，因此数据偏移的最大值是60字节，这也是TCP首部的最大字节（即选项长度不能超过40字节）。

7、窗口 ：

占2字节。窗口指的是发送本报文段的一方的接受窗口（而不是自己的发送窗口）。窗口值告诉对方：从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方发送的数据量（以字节为单位）。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。总之，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。

      例如，发送了一个报文段，其确认号是701，窗口字段是1000.这就是告诉对方：“从701算起，我（即发送方报文段的一方）的接收缓存空间还可接受1000个字节数据（字节序号是701~1700），你在给我发数据时，必须考虑到这一点。”。这是以接收方的接收能力来控制发送方的发送能力，称为流量控制。

总之：窗口字段明确指出了现在允许对方发送的数据量。窗口值经常在动态变化。
 

8、校验和：

占2字节。检查输出是否正确，校验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP用户数据报一样，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。

9、标志位

紧急URG（URGent）        当URG=1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快发送（相当于高优先级的数据），而不要按原来的排队顺序来传送。

当发送方有紧急数据时，可将紧急数据插队到发送缓存的最前面，并立刻封装到一个TCP报文段中进行发送。紧急指针会指出本报文段数据载荷部分包含了多长的紧急数据，紧急数据之后是普通数据。

这时要与首部中紧急指针（Urgent Pointer）字段配合使用。

确认ACK（ACKnowledgment）      仅当ACK = 1时确认号字段才有效，当ACK = 0时确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有的传送的报文段都必须把ACK置为1。

推送 PSH（PuSH）    当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送（push）操作。这时，发送方TCP把PSH置为1，并立即创建一个报文段发送出去。接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地（即“推送”向前）交付接收应用进程。而不用再等到整个缓存都填满了后再向上交付。

复位RST（ReSeT）       当RST=1时，表名TCP连接中出现了严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。RST置为1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。

同步SYN（SYNchronization）       在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1，因此SYN置为1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

终止FIN   用来释放通常TCP连接。

10、紧急指针：

占16比特，以字节为单位，用来指明紧急数据的长度。

11、选项

• MSS最大报文段长度(Maxium Segment Size)：MSS是每一个TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。所以MSS并不是整个TCP报文段的最大长度，而是“TCP报文段长度减去TCP首部长度”。
• 为什么要规定一个最大报文长度MSS呢？
  • 这并不是考虑接受方的接收缓存可能存放不下TCP报文段中的数据。实际上，MSS与接收窗口值没有关系。我们知道，TCP报文段的数据部分，至少要加上40字节的首部（TCP首部20字节和IP首部20字节，这里还没有考虑首部中的可选部分）才能组装成一个IP数据报。若选择较小的MSS长度，网络的利用率就降低。设想在极端情况下，当TCP报文段只含有1字节的数据时，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，对网络的利用率就不会超过1/41。到了数据链路层还要加上一些开销。但反过来，若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片组成成原来的TCP报文段，当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。
  • 因此，MSS应尽可能大些，只要在IP层传输时不需要分片就行。由于IP数据报所经历的路径是动态变化的，因此在这条路径上确定的不需要的分片的MSS，如果改走另一条路径就可能需要进行分片。因此最佳的MSS是很难确定的。在连接过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段，以后就按照这个数值传输数据，两个传送方向可以有不同的MSS值。若主机未填写这一项，则MSS的默认值是536字节长。因此，所有在互联网上的主机都应该接受的报文段长度是536+20（固定首部长度）=556字节。
• • 窗口扩大选项（Windows Scaling）：是为了扩大窗口。我们知道，TCP首部中窗口字段长度是16位，因此最大的窗口大小为64K字节。虽然这对早期的网络是足够用的，但对于包含卫星信道的网络，传播时延和宽带都很大，要获得高吞吐量需要更大的窗口大小。
    • 窗口扩大选项占3字节，其中有一个字节表示移位值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数从16增大到（16+S）。移位值允许使用的最大值是14，相当于窗口最大值增大到2^（16+14）-1=2^30-1。
    • 窗口扩大选项可以在双方初始建立TCP连接时进行协商。如果连接的某一端实现了窗口扩大，当它不再需要扩大其窗口时，可发送S=0选项，使窗口大小回到16。
  • 时间戳选项（Timestamps）：占10字节，其中最主要的字段是时间戳字段（4字节）和时间戳回送回答字段（4字节）。时间戳选项有以下两个概念：  
  • • 用来计算往返时间RTT。发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入时间戳字段，接收方在确认该报文段时把时间戳字段复制到时间戳回送回答字段。因此，发送方在收到确认报文后，可以准确地计算出RTT来。
    • 用于处理TCP序号超过2^32的情况，这又称为防止序号绕回PAWS。我们知道，TCP报文段的序号只有32位，而每增加2^32个序号就会重复使用原来用过的序号。当使用高速网络时，在一次TCP连接的数据传送中序号很可能被重复使用。例如，当使用1.5Mbit/s的速度发送报文段时，序号重复要6小时以上。但若用2.5Gbit/s的速率发送报文段，则不到14秒钟序号就会重复。为了使接收方能够把新的报文段和迟到很久的报文段区分开，则可以在报文段中加上这种时间戳。
  • SACK选择确认项（Selective Acknowledgements）：用来确保只重传缺少的报文段，而不是重传所有报文段。比如主机A发送报文段1、2、3，而主机B仅收到报文段1、3。那么此时就需要使用SACK选项来告诉发送方只发送丢失的数据。那么又如何指明丢失了哪些报文段呢？使用SACK需要两个功能字节。一个表示要使用SACK选项，另一个指明这个选项占用多少字节。描述丢失的报文段2，是通过描述它的左右边界报文段1、3来完成的。而这个1、3实际上是表示序列号，所以描述一个丢失的报文段需要64位即8个字节的空间。那么可以推算整个选项字段最多描述(40-2)/8=4个丢失的报文段。
  • NOP(NO-Operation)：它要求选项部分中的每种选项长度必须是4字节的倍数，不足的则用NOP填充。同时也可以用来分割不同的选项字段。如窗口扩大选项和SACK之间用NOP隔开。

12、填充

为了使整个首部长度是4字节的整数倍。

三、使用wireshake分析实例

当一个主机开启一个TCP会话时，他的初始序列号(Seq)是随机的，可能是0和4,294,967,295之间的任意值,这个序号的范围是0 — 2^32−1之间，而且序号的生成也是随机的，通常是一个很大的数值，也就是说每个tcp连接使用的序号也是不一样的。，然而，像Wireshark这种工具，通常显示的都是相对序列号/确认号，而不是实际序列号/确认号，相对序列号/确认号是和TCP会话的初始序列号相关联的。这是很方便的，因为比起真实序列号/确认号，跟踪更小的相对序列号/确认号会相对容易一些

ref：

计算机网络微课堂第074讲 TCP报文段的首部格式（有字幕无背景音乐版）_哔哩哔哩_bilibili

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