[网络协议]TCP报文段首部格式

TCP报文段的首部格式

TCP报文段首部的前20个字节是固定的,后面有4n字节是根据需要而增加的选线(n是整数)。

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。和UDP的分用相似，TCP的分用功能也是通过端口实现的。
2. 序号，占4字节。序号范围是[0,2^32-1]，共232（即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的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是指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。例如，一报文段的序号是301，而接待的数据共有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（如果还有的话）的数据序号应当从401开始，即下一个报文段的序号字段值应为401。这个字段的序号也叫“报文段序号”。
3. 确认号，占4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。注意，现在确认号不是501，也不是700，而是701。
   总之：若确认号为= N，则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。
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字节的字为计算单位）。由于4位二进制数能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首部的最大字节（即选项长度不能超过40字节）。
5. 保留，占6位，保留为今后使用，但目前应置为0 。
   下面有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，应尽快发送（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。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。这样做就浪费了很多时间。
   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然是普通数据。这时要与首部中紧急指针（Urgent Pointer）字段配合使用。
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，在连接建立后所有的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收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送（push）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。而不用再等到整个缓存都填满了后再向上交付。
9. 复位RST（ReSeT） 当RST=1时，表名TCP连接中出现了严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。RST置为1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。
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，意思是“完”“终”），用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送发的数据已发送完毕，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受窗口（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算起，我（即发送方报文段的一方）的接收缓存空间还可接受1000个字节数据（字节序号是701~1700），你在给我发数据时，必须考虑到这一点。”
    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。
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这两部分。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。伪首部的格式和UDP用户数据报的伪首部一样。但应把伪首部第4个字段中的17改为6（TCP的协议号是6）；把第5字段中的UDP中的长度改为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TPv6,则相应的伪首部也要改变。
14. 紧急指针，占2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（紧急数据结束后就是普通数据） 。因此，在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。值得注意的是，即使窗口为0时也可以发送紧急数据。
15. 选项，长度可变，最长可达4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 Szie）。注意MSS这个名词含义。MSS是每一个TCP报文段中的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长度MSS呢？这并不是考虑接受方的接收缓存可能存放不下TCP报文段中的数据。实际上，MSS与接收窗口值没有关系。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，这里还没有考虑首部中的可选部分）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报文段只含有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组成成原来的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的分片的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是很难确定的。在连接过程中，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输数据，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该接受的报文段长度是536+20（固定首部长度）=556字节。
后来又增加了几个选项如窗口扩大选项、时间戳选项等。
窗口扩大选项是为了扩大窗口。我们知道，TCP首部中窗口字段长度是16位，因此最大的窗口大小为64K字节。虽然这对早期的网络是足够用的，但对于包含卫星信道的网络，传播时延和宽带都很大，要获得高吞吐量需要更大的窗口大小。
窗口扩大选项占3字节，其中有一个字节表示移位值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数从16增大到（16+S）。移位值允许使用的最大值是14，相当于窗口最大值增大到2^{（16+14）-1=2}30-1。
窗口扩大选项可以在双方初始建立TCP连接时进行协商。如果连接的某一端实现了窗口扩大，当它不再需要扩大其窗口时，可发送S=0选项，使窗口大小回到16。
时间戳选项占10字节，其中最主要的字段是时间戳字段（4字节）和时间戳回送回答字段（4字节）。时间戳选项有以下两个概念：
第一、 用来计算往返时间RTT。发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入时间戳字段，接收方在确认该报文段时把时间戳字段复制到时间戳回送回答字段。因此，发送方在收到确认报文后，可以准确地计算出RTT来。
第二、 用于处理TCP序号超过2^{32的情况，这又称为防止序号绕回PAWS。我们知道，TCP报文段的序号只有32位，而每增加2}32个序号就会重复使用原来用过的序号。当使用高速网络时，在一次TCP连接的数据传送中序号很可能被重复使用。例如，当使用1.5Mbit/s的速度发送报文段时，序号重复要6小时以上。但若用2.5Gbit/s的速率发送报文段，则不到14秒钟序号就会重复。为了使接收方能够把新的报文段和迟到很久的报文段区分开，则可以在报文段中加上这种时间戳。

TCP最主要的特点：

1. TCP是面向连接的运输层协议，应用程序之间的通信好像在“打电话”：通话前要先拨号建立连接，通话结束后要挂机释放连接。
2. 每一条TCP连接只能有两个端点(endpoint)，每一条TCP连接只能是点对点的(一对一)。
3. TCP提供可靠交付的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复并且按序到达。
4. TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。在发送时，应用程序在把数据传送给TCP的缓存后，就可以做自己的事，而TCP在合适的时候把数据发送出去。在接收时，TCP把收到的数据放入缓存，上层的应用进程在合适的时候读取缓存中的数据。
5. 面向字节流。TCP中的“流”(stream)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：虽然应用程序和TCP的交互是一次一个数据块(大小不等)，但TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。TCP并不知道所传送的字节流的含义。TCP不保证接收方应用程序所接收到的数据块和发送方应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系(例如，发送方应用程序交给发送方的TCP工10个数据块，但接收方的TCP可能只用了4个数据块就把收到的字节流交付上层的应用程序)。但发送方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样。当然，接收方的应用程序必须有能力识别收到的字节流，把它还原成有意义的应用层数据。
   TCP和UDP在发送报文时所采用的方式完全不同。TCP并不关心应用进程一次把多长的报文发送到TCP的缓存中，而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥塞的程度来决定一个报文段应包含多少个字节(UDP发送的报文长度是应用进程给出的)。如果应用进程传送到TCP缓存的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。如果应用进程一次只发来一个字节，TCP也可以等待积累有足够多的字节后再构成报文段发送出去。

可靠传输的工作原理

1. 停止等待协议：自动重传请求ARQ(Automatic Repeat reQuest)，意思是重传的请求是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传某个出错的分组。
2. 连续ARQ协议：连续ARQ协议规定，发送方每收到一个确认，就把发送窗口向前滑动一个分组的位置。接收方一般都是采用累计确认的方式，也就是说，接收方不必对收到的分组逐个发送确认，而是在收到几个分组后，对按序到达的最后一个分组发送确认，这就表示：到这个分组为止的所有分组都已正确收到了。累计确认有优点也有缺点，优点是：容易实现，即使确认丢失也不必重传，但缺点是不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。例如，如果发送方发送了前5个分组，而中间的第3个分组丢失了。这是接收方只能对前两个分组发出确认。发送方无法知道后面三个分组的下落，而只好把后面的三个分组都再重传一次。这就叫做Go-back-N(回退N)，表示需要再退回来重传已发送过的N个分组。可见当通信线路质量不好时，连续ARQ协议会带来负面的影响。