重学TCP协议（2） TCP 报文首部

1. TCP 报文首部

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1.1 源端口和目标端口

每个TCP段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发端和收端应用进程。这两个值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一确定一个TCP连接

端口号分类

  • 熟知端口号（well-known port）
  • 已登记的端口（registered port）
  • 临时端口号（ephemeral port）
1.1.1 熟知端口号（well-known port）

熟知端口号由专门的机构由 IANA 分配和控制，范围为 0~1023。为了能让客户端能随时找到自己，服务端程序的端口必须要是固定的。很多熟知端口号已经被用就分配给了特定的应用，比如 HTTP 使用 80端口，HTTPS 使用 443 端口，ssh 使用 22 端口。

1.1.2 已登记的端口（registered port）

已登记的端口不受 IANA 控制，不过由 IANA 登记并提供它们的使用情况清单。它的范围为 1024～49151。

1.1.3 临时端口号（ephemeral port）

如果应用程序没有调用 bind() 函数将 socket 绑定到特定的端口上，那么 TCP 和 UDP 会为该 socket 分配一个唯一的临时端口。IANA 将 49152～65535 范围的端口称为临时端口（ephemeral port）或动态端口（dynamic port），也称为私有端口（private port），这些端口可供本地应用程序临时分配端口使用。

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1.2 序列号

TCP 是面向字节流的协议，通过 TCP 传输的字节流的每个字节都分配了序列号，序列号（Sequence number）指的是本报文段第一个字节的序列号

序列号用来标识从T C P发端向T C P收端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的的第一
个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 T C P用序号对每个字节进
行计数。序号是32 bit的无符号数，序号到达23 2－1后又从0开始。

1.2.1 初始序列号（Initial Sequence Number, ISN）

在建立连接之初，通信双方都会各自选择一个序列号，称之为初始序列号。在建立连接时，通信双方通过 SYN 报文交换彼此的 ISN

当建立一个新的连接时， S Y N标志变1。序号字段包含由这个主机选择的该连接的初始序号I S N（Initial Sequence Number）。该主机要发送数据的第一个字节序号为这个 I S N加1，因为
S Y N标志消耗了一个序号

1.3 确认号

TCP 使用确认号（Acknowledgment number, ACK）来告知对方下一个期望接收的序列号，小于此确认号的所有字节都已经收到。

既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的下一个序号。因此，确认序号应当是上次已成功收到数据字节序号加 1。只有A C K标志（下面介绍）为 1时确认序号字段才有效。

1.4 TCP Flags

TCP 有很多种标记，有些用来发起连接同步初始序列号，有些用来确认数据包，还有些用来结束连接。TCP 定义了一个 8 位的字段用来表示 flags，大部分都只用到了后 6 个

  • U R G 紧急指针（u rgent pointer）有效（见2 0 . 8节）。
  • A C K 确认序号有效。
  • P S H 接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
  • R S T 重建连接。
  • S Y N 同步序号用来发起一个连接。这个标志和下一个标志将在第 1 8章介绍。
  • F I N 发端完成发送任务。

1.5 窗口大小

T C P的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始
于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个 16 bit字段，
因而窗口大小最大为 6 5 5 3 5字节。

TCP 协议引入了「TCP 窗口缩放」选项 作为窗口缩放的比例因子，比例因子值的范围是 0 ~ 14，其中最小值 0 表示不缩放，最大值 14。比例因子可以将窗口扩大到原来的 2 的 n 次方，比如窗口大小缩放前为 1050，缩放因子为 7，则真正的窗口大小为 1050 * 128 = 134400。窗口缩放值在三次握手的时候指定，如果抓包的时候没有抓到 SYN 包，wireshark 是不知道真正的窗口缩放值是多少的。

1.6 紧急指针

只有当U R G标志置1时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和序号字段中的值
相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 T C P的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的
一种方式。

1.7 检验和

检验和覆盖了整个的T C P报文段：T C P首部和T C P数据。这是一个强制性的字段，一定是
由发端计算和存储，并由收端进行验证。

1.8 可选项

常用的选项有以下几个：

  • MSS：最大段大小选项，是 TCP 允许的从对方接收的最大报文段
    最常见的可选字段是最长报文大小，又称为 MSS (Maximum Segment Size)。每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置 S Y N标志的那个段）中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段。

  • SACK：选择确认选项

  • Window Scale：窗口缩放选项

参考资料

《深入理解 TCP 协议：从原理到实战》

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