TCP首部报文段格式

最近《计算机网络》这本书看到了传输层的 TCP 协议，因为TCP 的全部功能都体现在它的首部中，因此觉得有必要将这些知识梳理一下。

首先TCP 是面向字节流的。这个流指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。面向字节流的含义是：应用程序与 TCP 的交互是一次一个数据块（大小不等），但是 TCP 把应用程序交下来数据仅仅看成是一连串的无结构字节流。而 TCP 不知道所传送字节流的含义。

一、TCP首部报文段格式

一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分，只有弄清楚 TCP 首部中各字段的作用才能更好地掌握 TCP 的工作原理。

Source Port And Destination Port（源端口与目的端口）：各占 2 个字节，分别写入源端口号与目的端口号。

Sequence Number（序列号）：占 4 个字节，范围是[0， 2³² - 1]，序号增加到 2³² - 1 后，下一个序号就又回到 0。在 TCP 连接中传送的字节流中的每一个字节都要按顺序编号，起始序号在连接建立时就完成设置。因此序列号可以用来解决网络包乱序（reordering）问题。

例如，一个报文段的序号是 301，而携带的数据共有 100 个字节。这就表明：本报文段的数据的第一个字节的序号是 301，最后一个字节的序号是 400。显然下一个报文段的数据序号要从 401 开始。

Acknowledgement Number（确认号）：占 4 个字节，表示期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。可以用来解决不丢包的问题。

例如：B 收到了 A 发送过来的一个报文段，序号字段值为 501，而长度是 200 字节（序号 501 - 700），这表明 B 正确地收到了 A 发送的 200 个字节的数据。于是 B 在发送给 A 的确认报文段中把确认号设置为 701。若确认号等于 N，表明：到序号 N - 1 为止的所有数据都已经正确接收到。

Offset（数据偏移）：占 4 位，指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。这个字段实际上是指出 TCP 报文段的首部长度。

Reserved（保留）：保留为今后使用，目前应置为 0。

TCP Flags：数据包的属性，用于控制 TCP 的状态机。下面介绍其中的一些属性

• URG（紧急）：当 URG＝1 时，表明紧急指针字段有效，代表该报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)。于是发送方就把紧急数据插在本报文段数据的最前面，通常与 Urgent Pointer 一起配合使用。
• ACK（确认）：只有当 ACK＝1 时确认号字段才有效,代表这个封包为确认封包。当 ACK＝0 时，确认号无效。TCP 规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把这个字段的值置为 1。
• RST（复位）：当RST＝1时，表明TCP连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。

Window（窗口）：占 2 个字节，窗口值是一个 [0， 2¹⁶ - 1] 之间的整数。窗口指的是发送本报文段的一方的接收窗口（而不是自己的发送窗口）。窗口值用于告诉对方：从本报文段首部中的确认号算起，接受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，是因为接受方的数据空间是有限的。

例如：发送了一个报文段，其确认号是 701，窗口字段值为 1000。这就告诉对方：“从 701 序号开始算起，我（发送此报文段的一方）的接收缓存空间还可以接收 1000 个字节数据，字节序号是 701 - 1700，你在给我发送数据时，必须要考虑到这一点”。窗口字段值明确的指出了现在允许对方发送的数据量，窗口值通常是在不断的动态变化着。

Checksum（校验和）：占 2 个字节，校验和字段检验的范围包括首部和数据两部分。

Urgent Pointer（紧急指针）：占 2 个字节，紧急指针仅在 URG = 1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。因此，紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。

TCP Options（选项）：长度可变，最长可达 40 字节。当没有使用“选项时”，TCP 的首部长度是 20 字节。

二、总结

上面有几个头部信息非常重要：

• Sequence Number 是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题
• Acknowledgement Number 就是 ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题
• Window 又叫 Advertised-Window，也就是著名的滑动窗口（Sliding Window），用于解决流控的问题

参考资料：
《计算机网络》 谢希仁 著
TCP 的那些事儿 By 陈皓：https://coolshell.cn/articles/11564.html