TCP概述及报头解析

TCP 特征概述

TCP 协议在网络 OSI 参考模型中的第四层——传输层，是一个 面向连接的（connection-oriented）、可靠的（reliable）、字节流式的（byte stream） 传输协议。

面向连接 ：在应用 TCP 协议进行通信之前，双方通常需要通过三次握手来建立 TCP 连接，连接建立后才能进行正常的数据传输。但是同时面向连接的特性给 TCP 带来了复杂的 连接管理 以及用于检测连接状态的 存活检测机制 。同时，TCP 提供全双工通信。

可靠性 ：TCP 层需要解决来自 IP 层的四种常见传输错误问题，分别是 比特错误 (packet bit errors)、包乱序 (packet reordering)、包重复 (packet duplication)、丢包 (packet drops)，TCP要提供可靠的传输，就需要有额外的机制处理这几种错误。TCP 通过使用确认，重传，校验和 这三种基本机制来实现可靠传输。因此TCP协议具有超时与重传管理、窗口管理、流量控制、拥塞控制等功能。

字节流式 ：应用层发送的数据会在 TCP 的发送端缓存起来，统一分段(例如一个应用层的数据包分成两个TCP包)或者打包(例如多个应用层的数据包打包成一个TCP数据包)发送，到接收端的时候接收端也是直接按照字节流将数据传递给应用层。也就是说，TCP 的数据流是没有边界的 ，这可能导致粘包。作为对比，同样是传输层的协议，UDP 并不会对应用层的数据包进行打包和分片的操作，一般一个应用层的数据包就对应一个 UDP 包。

报头解析

报头大小为 20 ~ 60 字节 ，若没有 option ，则为 20 字节。下面对图中各部分进行解析。

源端口和目的端口： 分别用来唯一标识主机和服务器的进程。

源端口、目的端口、以及源 IP 地址、目的 IP 地址统称为 四元组 ，它唯一的标识了一个 TCP 连接。一个 IP 地址和一个端口号组成 套接字地址 。接收端的 TCP 层根据不同的端口号来将数据包传送给应用层的不同程序，这个过程叫做 解复用 (demultiplex)。相应的发送端会把应用层不同程序的数据映射到不同的端口号，这个过程叫做复用 (multiplex)。
序列号(SN)： TCP 为待发送缓冲区中的数据编号，与 ARQ 协议不同，此处是为每个字节进行编号，而不是为段进行编号。序列号范围为 $0$ ~ $2^{32}-1$ 。

连接时，TCP 在范围内生成一个随机数作为 初始序号（ISN） ，那么第一个字节的序号应为 ISN + 1 。例如，ISN = 23 ，第一个分组大小为 500，则其序号为 24 ~ 500 ，那么下一个分组就需要从 501 开始编号。当 SYN =1 时，该序列号有效。TCP 通过序列号来判断丢包，重复和失序。
确认号(ACK)： 当 ACK 位为 1 时，该确认号有效。接收方通过使用确认号来告知发送方已收到的字节数（或下一次想收到的字节），比如，接收方收到 SN = 54 的分组，然后回复 ACK = 55 的分组来告知发送方我已收到 55 之前的字节（或下一次我想收到 55 开头的字节流）。与 GBN 相同，确认号时累积的。
头部长度： 表示报头总大小。注意，头部长度仅占 4 bit ，范围为 0 ~ 15 ，而报头大小为 20 ~ 60 bytes，所以头部长度的单位是 4 bytes，也就是说，若头部长度为 11，则报头总大小为 11 × 4 = 44 bytes 。
保留： 占 6 位，这些位必须是0。为了将来定义新的用途所保留，其中 RFC3540 将保留字段中的最后一位定义为 Nonce 标志，用于处理拥塞。
窗口大小： 16 位，表明接收端窗口的空闲空间大小，最大的窗口大小为64Kb 。这个值通常被称为 rwnd 。注意，它也可以表示为对方必须维持的窗口大小，因为发送方必须服从接收方的支配。用于流量控制。
校验和： 发送端基于数据内容计算一个数值，接收端要与发送端数值结果完全一样，才能证明数据的有效性。接收端 checksum 校验失败的时候会直接丢掉这个数据包。CheckSum 是根据伪头部+TCP头+TCP数据三部分进行计算的。

伪首部只参与校验，不占空间，不参与传输。UDP 伪头部 = 源 IP 地址 + 目的 IP 地址 + 8位协议 + 16位UDP长度。
UDP 发送方可以选择不计算校验和，而 TCP 必须计算校验和 。UDP 伪首部目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地：第一次，通过伪首部的IP地址检验，UDP可以确认该数据报是不是发送给本机IP地址的；第二，通过伪首部的协议字段检验，UDP可以确认IP有没有把不应该传给UDP而应该传给别的高层的数据报传给了UDP。相较于链路层的 CRC 校验，TCP/UDP 校验和提供相对较弱的差错保护。
紧急指针： 16位，指向优先数据的字节，在URG标志设置了时才有效。如果URG标志没有被设置，紧急域作为填充。
标志位：
- CWR(Congestion Window Reduce) ：拥塞窗口减少标志被发送主机设置，用来表明它接收到了设置ECE标志的TCP包，发送端通过降低发送窗口的大小来降低发送速率
- ECE(ECN Echo) ：ECN 响应标志被用来在 TCP 3次握手时表明一个 TCP 端是具备 ECN 功能的，并且表明接收到的TCP包的IP头部的ECN被设置为11。ECN(Explicit Congestion Notification)是一种由网络层辅助的拥塞控制方法，用于显式通知终端拥塞的发生。参考此处
- URG(Urgent) ：该标志位置位表示紧急(The urgent pointer) 标志有效。该标志位目前已经很少使用。
- ACK(Acknowledgment)：取值 1 代表 ACK 字段有效，这是一个确认包，取值0则不是确认包。
- PSH(Push) ：该标志置位时，一般是表示发送端缓存中已经没有待发送的数据，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理。在处理 telnet 或 rlogin 等交互模式的连接时，该标志总是置位的。
- RST(Reset) ：用于复位相应的TCP连接。通常在发生异常或者错误的时候会触发复位 TCP 连接，这可能导致数据丢失。作用如下：
  1. 向一个未打开的端口发送连接请求
  2. 应用程序主动终止一个连接
  3. 应用程序还没有接收缓存中的数据，连接被提前关闭
  4. TWA(TIME-WAIT Assassination)
  5. 半开连接的情况下发送数据。参考此处
- SYN(Synchronize) ：该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号.
- FIN(Finish) ：带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP会话，但对应端口仍处于开放状态，准备接收后续数据。
选项(Option) ：长度不定，但长度必须以是32bits的整数倍。常见的选项包括 MSS、SACK、Timestamp 等。可用于填充。
常用选项为：
- 最大报文传输段(Maximum Segment Size — MSS ) ：MSS只出现在前两次握手中 。
  
  MSS 是传输层 TCP 协议范畴内的概念，顾名思义，其标识TCP能够承载的最大的 应用数据 长度，因此，MSS = MTU - 20 字节TCP报头 - 20字节IP报头，那么 在以太网环境下，MSS值一般就是1500-20-20=1460字节
- 窗口扩大选项(window scaling – WSOPT ) ：该选项只出现在前两次握手中 ，因此当TCP连接建立起来后，window scale就固定了。
  window size 占 16 位，最大 64 kb，在网络情况很好的状态下，这么小的窗口无法满足较高的网络性能，所以需要用 WSOPT 选项扩大窗口。该选项格式如下：
  1
  2
  3
  // +---------+---------+---------+
  // | Kind=3 |Length=3 |shift.cnt|
  // +---------+---------+---------+
  当使用 WSOPT 选项的时候，接收窗口的实际大小则为 Window Size << shift.cnt，其中 shift.cnt 按照协议最大只能为14 ，当接收端接收到的 shift.cnt 大于 14 的时候，则按照 14 来处理 Window Size 。WSOPT 选项最大可将原有的 16 位 Window Size 扩展到近 30 位大小(大约1GB)，可以有效提升TCP允许使用的接收缓存。
- 选择确认选项(Selective Acknowledgements —SACK ) ：用于重传和拥塞控制，笔者其他文章会详述。
- 时间戳选项(timestamps ) ：用于测量往返时延（RTTM，利于掌握网络拥塞信息），防止序列号回绕（PAWS）（参见：序列号回绕）
- NOP ：选项部分的每种选项长度必须是4字节的倍数，不足时用NOP补充。注意，是用来填充选项之间的空隙。
- EOL ：用来填充整个选项部分的末尾。
  
  举例：假如 Header Length 指定的 TCP 头长为 40 bytes，其中第 29-38 bytes 为 TSOPT 选项，则可以在第 39 byte 处添加一个 EOL 选项指示选项列表结束，可以看到 EOL 并没有位于 TCP 头的结束位置的第 40 byte。对于最后一个 byte RFC793 协议规定需要以 0 来填充。这个EOL后面填充的 0 已经不属于 TCP 选项的一部分了。然而，linux 本身发送 TCP 数据包的时候并不会添加 EOL 选项，而是通过添加一个或者多个 NOP 选项来实现整个 TCP 头长的四字节对齐。
- FOC ：用于 TFO 的 Cookie 选项，参见此处