计算机网络（35）TCP报文段的首部格式

前言

计算机网络中的TCP（传输控制协议）报文段的首部格式是TCP协议的核心组成部分，它包含了控制TCP连接的各种信息和参数。

一、TCP报文段的结构

TCP报文段由首部和数据两部分组成。其中，首部包含了控制TCP连接的各种字段，而数据部分则是实际传输的数据。

二、TCP报文段首部格式

TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面还可以根据需要增加最多40字节的选项部分。因此，TCP报文段首部的最小长度是20个字节，最大长度可以达到60个字节（当选项部分被完全使用时）。

1. 源端口和目的端口

位置：报文段的前4个字节（源端口2个字节，目的端口2个字节）。
作用：端口是传输层和应用层的服务接口，用于实现传输层的复用和分用功能。源端口是发送方进程的端口号，目的端口是接收方进程的端口号。

2. 序号

位置：第5到第8个字节。
作用：序号用于标识TCP连接中传送的字节流中的每一个字节。它是一个32位的无符号整数，范围从0到2^32-1。TCP在建立连接时，会为整个字节流设置一个起始序号，然后每个报文段都会携带一个序号，表示该报文段中数据的第一个字节在字节流中的位置。

3. 确认号

位置：第9到第12个字节。
作用：确认号用于表示接收方期望收到的下一个报文段的第一个数据字节的序号。它是接收方对发送方的确认，告诉发送方已经收到了哪些数据。确认号的值等于上一个已成功接收的报文段的序号加上该报文段的数据长度再加1。

4. 数据偏移

位置：第13到第16个字节中的前4位（实际上是第13个字节的高半字节）。
作用：数据偏移用于指示TCP报文段的首部长度，单位是32位字（即4字节）。由于首部中可能包含长度不确定的选项字段，因此数据偏移字段是必要的。数据偏移的最大值是15，对应的首部长度是60字节。

5. 保留字段

位置：第13到第16个字节中的后6位。
作用：保留字段用于今后可能的扩展，目前应置为0。

6. 控制位

位置：第17个字节。

作用：控制位包含了6个标志位，用于控制TCP连接的状态和行为。它们分别是：

URG（紧急位）：当URG=1时，表示报文段中有紧急数据，应尽快传送。此时，紧急指针字段有效。
ACK（确认位）：当ACK=1时，确认号字段有效。在连接建立后，所有的报文段都必须把ACK置为1。
PSH（推送位）：当PSH=1时，接收方应尽快将报文段交付给应用进程，而不需要等到接收缓存满后再交付。
RST（复位位）：当RST=1时，表示TCP连接中出现了严重错误，必须释放连接并重新建立。
SYN（同步位）：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表示这是一个连接请求报文段；当SYN=1而ACK=1时，表示接受连接请求。
FIN（终止位）：当FIN=1时，表示发送方已经没有数据要发送了，要求释放连接。

7. 窗口

位置：第18到第19个字节。
作用：窗口字段用于流量控制，表示接收方允许发送方发送的数据量（以字节为单位）。它是接收方根据自己的缓存空间大小来设置的。

8. 检验和

位置：第20到第21个字节。
作用：检验和字段用于检验TCP报文段的首部和数据部分在传输过程中是否发生变化。它是通过对首部和数据进行加和（通常采用补码和）来计算的。接收方在收到报文段后，也会进行相同的计算，并将结果与检验和字段进行比较，以验证数据的完整性。

9. 紧急指针

位置：第22到第23个字节。
作用：紧急指针字段仅在URG=1时有效，它表示报文段中紧急数据的字节数（从报文段数据的第一个字节开始计算）。紧急数据结束后就是普通数据。当接收方收到紧急数据后，会优先处理这些数据。

10. 选项

位置：紧跟在紧急指针字段之后，长度可变，最长可达40字节。
作用：选项字段用于扩展TCP的功能，可以包含多种选项，如最大报文段长度（MSS）、窗口扩大字段、时间戳、选择确认信息等。当选项字段的长度不是4字节的整数倍时，会使用填充字段来补齐。