TCP报文段结构详解

TCP报文段是TCP协议传输数据的基本单位，理解其结构是掌握TCP工作原理的基础。一个TCP报文段分为两大块：首部（Header）和数据（Data）。数据部分是可选的，例如在建立连接的三次握手中，报文段就没有数据，但首部是必须存在的。

TCP首部的固定部分是20字节，此外还有可选的选项部分，因此首部长度是可变的，最小20字节，最大60字节。其具体结构如下图所示（通常用4字节一行来表示）：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         源端口号 (Source Port)         |      目的端口号 (Destination Port)    |
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|                       序列号 (Sequence Number)                        |
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|                   确认号 (Acknowledgment Number)                  |
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| 数据偏移|  保留  |U|A|P|R|S|F|                               |        窗口大小 (Window Size)           |
| (4 bits)|(3 bits)|R|C|S|S|Y|I|           保留              |         |
|        |       |G|K|H|T|N|N|                               |         |
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|           校验和 (Checksum)            |        紧急指针 (Urgent Pointer)     |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   选项 (Options, 可选，长度可变)                   |
|                                               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                               |   填充 (Padding)     |
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下面我们逐一拆解每个字段的含义和作用。

步骤一：连接的两端——端口号（Port）

1. 源端口号（Source Port, 16位）：

   • 作用：标识发送数据包的应用程序进程。
   • 详解：可以理解为数据包从哪个“门”发出。通常，客户端程序的端口是随机分配的临时端口。

2. 目的端口号（Destination Port, 16位）：

   • 作用：标识接收数据包的应用程序进程。
   • 详解：可以理解为数据包要进入哪个“门”。服务器端知名服务使用固定端口，如HTTP是80，HTTPS是443。
   • 组合：源IP + 源端口 + 目的IP + 目的端口，这四元组唯一确定了一个TCP连接。

步骤二：保证数据有序——序列号与确认号

这是TCP实现可靠传输的核心字段。

3. 序列号（Sequence Number, 32位）：

   • 作用：标识本报文段所发送数据的第一个字节的序号。
   • 详解：TCP是面向字节流的，它为每个字节都分配一个序号。例如，假设初始序列号（ISN）为1000，如果这个报文段携带了1000个字节的数据，那么它的序列号就是1000，下一个报文段的序列号就是1000 + 1000 = 2000。
   • 意义：接收方根据序列号可以对收到的乱序数据包进行重新排序，也可以发现重复的数据包。

4. 确认号（Acknowledgment Number, 32位）：

   • 作用：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。同时，也表示确认号之前的所有数据都已正确接收。
   • 详解：确认号具有“累积确认”的特性。如果接收方收到的最后一个字节序号是1999，那么它发回的确认号就是2000，意思是“我已经收到了2000之前的所有数据，现在期望你从2000开始发送”。
   • 前提：只有当一个报文段的ACK标志位（见下文）为1时，确认号字段才有效。

步骤三：控制报文段本身——首部长度、标志位和窗口

这部分字段控制着报文段的行为和流量。

5. 数据偏移（Data Offset, 4位）：

   • 作用：指出TCP报文段的首部长度，即数据部分从何处开始。
   • 详解：这个字段的单位是4字节（32位字）。由于首部有可变长的选项部分，所以需要它来指明首部结束的位置。最小值是5（5 * 4字节 = 20字节，即标准首部），最大值是15（15 * 4字节 = 60字节）。

6. 保留（Reserved, 6位）：

   • 作用：保留给未来使用，必须设为0。

7. 标志位（Flags, 6位，每位代表一个控制功能）：

   • 作用：用于指示报文段的特殊性质和用途。
   • 详解：
     • URG（Urgent）：为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（Acknowledgment）：为1时，表示确认号字段有效。建立连接后，所有报文段的ACK通常都为1。
     • PSH（Push）：为1时，提示接收方应立即将数据提交给上层应用，而不是等缓冲区满了再提交。
     • RST（Reset）：为1时，表示连接出现严重错误，必须释放并重新建立连接。
     • SYN（Synchronize）：为1时，表示这是一个连接请求或连接接受报文。用于三次握手。
     • FIN（Finish）：为1时，表示发送方数据已发送完毕，要求释放连接。用于四次挥手。

8. 窗口大小（Window Size, 16位）：

   • 作用：用于流量控制。指示从本报文段的确认号开始，接收方还能接收多少字节的数据。
   • 详解：这是TCP实现滑动窗口流量控制的基础。发送方根据接收方通告的窗口大小来调整自己的发送速率，避免接收方缓冲区溢出。

步骤四：保证报文段完整性与特殊功能

9. 校验和（Checksum, 16位）：

   • 作用：用于检验TCP首部、数据以及IP伪首部（包含源IP、目的IP、协议类型等）在传输过程中是否出现差错。
   • 详解：发送方计算，接收方验证。如果校验失败，接收方会直接丢弃该报文段，并不发送确认，从而触发发送方超时重传。

10. 紧急指针（Urgent Pointer, 16位）：

    • 作用：当URG标志为1时，本指针指出本报文段中紧急数据的末尾在数据部分中的位置。
    • 详解：紧急数据需要“插队”处理。紧急指针的值加上序列号，就得到了紧急数据最后一个字节的位置。

步骤五：可扩展部分——选项与填充

11. 选项（Options, 长度可变）：

    • 作用：用于扩展TCP功能，是首部长度可变的根源。
    • 常见选项：
      • 最大报文段长度（MSS）：在三次握手时通告，表示本端所能接受的最大报文段数据长度，以避免在IP层分片。
      • 窗口扩大因子：用于扩大16位窗口大小的表示范围，以支持高速网络。
      • 选择性确认（SACK）：允许接收方告知发送方哪些不连续的数据块已经收到，提高重传效率。
      • 时间戳：用于计算往返时间（RTT）和防止序列号回绕（PAWS）。

12. 填充（Padding）：

    • 作用：确保TCP首部长度是4字节的整数倍。
    • 详解：由于选项字段长度可变，可能造成首部长度不是4字节的整数倍，这时需要用0进行填充，以满足“数据偏移”字段的要求。

总结

通过以上分解，我们可以看到TCP报文段的结构设计精妙，每个字段都肩负着重要使命：

• 端口号定义了通信的端点。
• 序列号和确认号构成了可靠传输的基石。
• 标志位控制着连接的生命周期（SYN， FIN， RST）和数据处理方式（URG， PSH）。
• 窗口和校验和分别负责流量控制和差错检测。
• 选项则提供了协议的扩展能力。

理解TCP报文段结构，是深入掌握TCP连接管理、可靠传输、流量控制和拥塞控制等高级特性的第一步。