tcp报文都有什么格式,TCP 头部选项选项

题图来自Unsplash，基于CC0协议

导读

TCP，即传输控制协议，是互联网协议套件中最重要的协议之一，提供可靠的、面向连接的字节流传输服务。为了确保可靠性和连接管理，TCP报文需要遵循特定的格式进行组织。几乎所有传输的数据（称为TCP段或TCP报文）都包含一个固定格式的头部，其主要结构遵循RFC 793定义的标准。

TCP报文头部的结构是相对固定的，最小长度为20字节（不含选项部分），当包含选项时会更长。头部包含了源和目标端口号、序列号、确认号、数据偏移（指示头部长度）、标志位、窗口大小、校验和、紧急指针以及可选的选项字段。虽然选项是可选的，但它们对于协商连接参数（如最大段大小，窗口扩大因子，时间戳等）至关重要。

深入研究，TCP头部的格式在实际传输中紧密跟随数据部分，并且为了计算校验和，还会伴随着一个“伪首部”（伪头部），这个伪首部包含了IP头部部分信息以及TCP段长度，用于增强校验和的健壮性，能检测出IP层的一些错误。

TCP头部中的关键控制信息体现在那4位标志位上： SYN标志位在TCP连接建立的三次握手中扮演关键角色。当一个端口试图主动发起一个TCP连接时，它会发送一个带有SYN标志位设置的段。接收方若同意连接，则会回应一个同样带有SYN（表示他也希望打开连接）和ACK标志位的段。这个看似包含两个标志位的交互过程，实际上是为建立可靠连接所需进行的确认协商。 ACK标志位用于指示确认号字段是有效的，即携带了窗口大小信息，或者标志着一个确认信息的到来。 FIN标志位代表“完成”，它被设置在准备关闭连接的TCP发送方发出的段中。当此标志位被设置后，发送方表示不再发送任何数据，请求终止连接。接收方会确认这一位连接终止请求，并在收到所有剩余数据后，回送一个带有FIN标志位的段，配合ACK标志位，最终完成整个连接的四次挥别过程（注意：实际的连接关闭过程是TCP的标准过程，不是简单的BIT操作）。

TCP/IPv4头部的校验和是覆盖IP和TCP头部（不含填充）所有内容的。

另一个核心部分是序列号和确认号字段： 序列号字段：它表示TCP发送数据时为传输的数据字节流中的第一个字节赋予的序号。发送方通过这个序号让接收方能够准确地重组数据流。一旦接收方成功接收到带有不同序列号的段，它就能够将其按顺序排列，补齐可能丢失的部分，以构建原始的数据流。这为应用程序提供了看似连续的数据传输体验，即使底层的网络传输是分块进行的。 确认号字段：此字段通常包含接收方期望从发送方（其对应的上一个通信方）接收到的下一个字节的序列号。换句话说，它告知发送方，序列号为ACK之前的所有字节都已正确接收，或者其对应的确认报文携带的ACK标志位被设置。服务器若成功接收到带有SYN标志位、序列号A、长度为L的数据包，应根据其内部策略（处理时间、拥塞控制等），将其序列号设置为A + L，然后发送一个带有ACK标志位、确认号字段值为A + L的响应段。发送方数据的第一次传输序列号通常是随机的，以防止网络中的恶意攻击或重播攻击。协议规定，如果确认号字段未被设置（通常发生在还没有发送任何数据或连接建立阶段），则该段的序列号将被忽略，除非SYN或FIN标志位被设置。实际上，确认号只在这段被正常接收和处理后才有意义，而且发送端的确认过程是可靠传输机制的核心。

尽管基础TCP头部提供了连接建立、数据传输和关闭所需的核心字段，但TCP头部还可以包含选项字段。这些选项允许通信双方协商更高级的功能或参数，例如：

连接正常建立或者数据传输过程中，如果发送方想发送超过默认最大尺寸的数据包，可以通过协商“最大段大小”选项来设置接收方应该接收的最大报文长度。协议规定，如果接受方希望以协商的方式接收数据，并且通常与路径MTU discovery机制相结合，那么接受方可以通过声明其最大段大小选项来告知发送方更适宜分包的尺寸，从而避免了因发送过大的段导致IP层进行不必要的分片操作。此外，还存在“窗口扩大因子”选项，允许发送方声明比16位窗口大小所能表示的最大范围更大的值，这对于高吞吐量网络连接非常重要。还有“时间戳”选项，利用TCP序列号来估算往返时间（RTT）并用于精确地判定分组丢失，这些功能对于现代TCP的高性能和健壮性至关重要。

了解和掌握TCP报文格式对于开发网络应用、进行协议分析、故障排除以及理解互联网数据传输机制都具有非常重要的意义。TCP头部的结构就像协议运行中的罗盘和舵轮，精确导航着数据在整个网络海洋中的旅程，确保了数据的可靠送达。