TCP报文段的首部格式

迷南。 2021-12-14 03:47 267阅读 0赞

TCP虽然是面向字节流的，但TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4n个字节是根据需要而增加的选项（n是整数）。因此TCP首部的最小长度是20字节。

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首部固定部分各字段的意义为：

（1）源端口和目的端口。各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。

（2）序号（seq）。占4个字节。序号范围是\[2，2^32-1\]，共2^32（4294967296）个序号。序号增加到2^32-1后，下一个序号就又回到0。也就是说，序号使用mod 2^32运算。TCP是面向字节流的。在一个TCP连接中传送的字节流中每一个字节都按顺序编号。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。首部中的序号字段值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。例如，一报文段的序号字段值是301，而携带的数据共有100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号应该从401开始，即下一个报文段的序号字段值应为401。这个字段的名称也叫“报文段序号”。

（3）确认号（ack）。占4个字节，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正确地收到了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。总之，若确认号ack=N，则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。由于序号字段又32位长，可对4GB的数据进行编号。在一般情况下可保证当序号重复使用时，旧序号的数据早已通过网络到达终点了。

（4）数据偏移。占4位，它指出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。由于首部中还有长度不确定的选项字段，因此数据偏移字段是必要的。但应注意，“数据偏移”的单位是32位字（即以4字节长的字为计算单位）。由于4位二进制数能够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首部的最大长度（即选项字段长度不能超过40字节）。

（5）保留。占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。

6个控制位用来说明本报文段的性质。

（6）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，应尽快传送（相当于高优先级的数据），而不要按原来的排队顺序来传送。例如，已经发送了很长的一个程序要在远地的主机上运行。但后来发现了一些问题，需要取消该程序的运行。因此用户从键盘发出中断命令（Ctrl+C）。如果不使用紧急数据，那么这两个字符将存储在接收TCP的缓存末尾。只有在所有的数据被处理完毕后这两个字符才被交付接收方的应用进程。这样做就浪费了许多时间。当URG置为1时，发送应用进程就告诉发送方的TCP有紧急数据要传送。于是发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。这时要与首部中紧急指针字段配合使用。然而在紧急指针字段的具体实现上，由于过去的有些文档有错误或有不太明确的地方，因而导致对有关的RFC文档产生了不同的理解。于是在2011年公布的建议标准RFC6093，把紧急指针字段的使用方法做出了更加明确的解释，并更新了几个重要的RFC文档。

（7）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，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1。

（8）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够收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送操作。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，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。推送操作很少使用。

（9）复位RST（ReSeT）。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。RST置1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。RST也可称为重建位或重置位。

（10）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。

（11）终止FIN（FINis）。用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。

（12）窗口。占2字节。窗口值是\[0，2^16-1\]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号算起，我（即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）。”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着。

（13）检验和。占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据两部分。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。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样，但应当把伪首部的第4个字段中的17改为6，把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。接收方收到此报文段后，仍要加上这个伪首部来计算检验和。若使用IPv6，则相应的伪首部也要改变。

（14）紧急指针。占2字节。紧急指针在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据）。因此，紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。当所有紧急数据都处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。特别需要注意的是，当窗口值为0时也可发送紧急数据。

（15）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。

TCP最初只规定了一种选项，即最大报文段长度MSS(Maximum Segment Size)。MSS是每一个TCP报文段中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段长度MSS呢？这并不是考虑接收方的接受缓存可能放不下TCP报文段中的数据。实际上，MSS与接收窗口值并没有关系。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，不考虑首部中的选项字段），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报文段中只有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装配成原来的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层传输时不需要再分片就行。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时很难确定的。在连接建立的过程中，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送数据，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能接受的报文段长度是536+20=556字节。

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