解读TCP/UDP数据包（二）：TCP数据包结构

1、图

TCP数据包由首部和数据组成，

每行4个字节（32位）

其中首部最少20个字节（5行），最多60个字节（15行），选项部分是可选的；

TCP首部并没有字段表明整个数据包的长度，是因为TCP数据包是包含在IP数据包中的，而IP数据包已有长度字段，除去IP首部和TCP首部，剩余部分就是TCP包的净荷数据。

2、首部固定部分

1、 第一行：源端口2字节，目的端口2字节

表示发送方和接收方的端口号



2、 第二、三行：序列号4字节，确认号4字节

序列号是指该报文段在发送方数据字节流中的位置，在TCP字节流中，每个数据字节都被编号；

确认号是指本机希望收到的下一个字节的序号；

序列号和确认号分别对应报文发送方向和相反方向的数据流；

报文被分解成多个报文段时，序列号就是首字节在整个报文中的偏移量，确认号指定下一个期待的字节；

序列号和确认号的最大表示范围均为2^32-1=4294967295≈42.9亿；



3、 第四行：首部长度4位，保留6位，标志位6位，窗口大小16位

首部长度：

指明首部共有多少行（每行4个字节），则TCP首部的最大长度为（2^4-1)*4=60字节；

标志位6位，含义分别如下：

URG：紧急指针有效

ACK：确认序号有效

PSH：接收方尽快将这个报文段交给应用层

RST：重建连接

SYN：同步序号用来发起一个连接

FIN：发端完成发送任务

窗口大小：

即发送数据的窗口大小，告诉对方在不等待确认的情况下，可以发来多大的数据；这里表示的最大长度是2^16-1=65535，如需要使用更大的窗口大小，需要使用选项中的窗口扩大因子选项；



4、 第五行：TCP校验和16位，紧急指针16位

TCP校验和：【待补充】

紧急指针：

当URG标志为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（即序列号到紧急指针之间的数据为紧急数据，后面的数据才是正常数据）。

3、首部选项部分

第六行开始是选项部分：

每个选项的开始是1字节的kind字段，说明选项的类型。（这里描述的长度，包含kind和长度字节本身）。

1、kind=0：选项表结束（共1字节）

2、kind=1：无操作（共1字节）Nop:no operation

用于填充选项字段，使TCP首部长度为4字节的倍数；

3、kind=2：最大报文段长度（共4字节=1+1+2）MSS（Maxinum Segment Size）

第一个字节：kind的值，即0x02；

第二个字节：该段选项的长度，即0x04；

第三四字节：MSS的值，最大报文段长度(仅仅是净荷数据，不包括TCP首部字段)；

TCP包最大净荷数据量为65495（=IP数据包最大长度65535-TCP包头20字节 - IP包头20字节）；

用于发送方与接收方协商最大报文段长度。TCP在三次握手中，每一方都会通告期望收到的MSS(MSS只出现在SYN数据包中)，如果一方不接受另一方的MSS值，则使用默认的536字节净荷数据，即主机能够接受20+536字节的TCP报文段。

4、kind=3：窗口扩大因子（共3字节=1+1+1）Window Scaling

第一个字节：kind的值，即0x03；

第二个字节：该段选项的长度，即0x03；

第三个字节：移位值(Shift count)S，表示把窗口值向左移动S位，得到实际窗口大小，移位值的取值范围是0~14，则窗口最大值为1GB，即65535*(2^14)=1073725440=10亿字节=1GB，在TCP建立连接时协商的。如果窗口已经扩大，当不再需要扩大时，发送S=0选项就可以恢复窗口大小到16位；（最大值14，即最大TCP序号限定为2^16 * 2^ 14 = 2^30 < 2^31。该限制用于防止字节序列号溢出。）

窗口扩大选项是在TCP建立之初进行协商，如果已实现了窗口扩大，当不再需要扩大窗口时，发送移位值=0就可以恢复到原窗口大小，即65535。

5、kind=8：时间戳选项（共10字节=1+1+4+4）Timestamps

第一个字节：kind的值，即0x08；

第二个字节：该段选项的长度，即0x0a；

第三到第六字节：时间戳，系统启动时开始记数（可能是每500毫秒加1），用于计算RTT和防止回绕序号（PAWS）；

第七到第十字节：回送的时间戳，为收到的上一个报文的时间戳；


时间戳选项用来计算往返时间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，接收方将该时间戳字段的值复制到确认报文中，当接收方收到确认报文，对比确认报文的时间戳(等于发送方发送报文段的时间戳)和现在的时钟，即可算出RTT。


时间戳选项还可用于防止回绕序号PAWS。序列号只有32位，每2^32个序列号就会回绕(想想环形队列)，采用时间戳选项很容易区分相同序列号的报文段。

6、kind=4：选择确认选项SACK Selective Acknowledgements

第一个字节：kind的值，即0x04；

第二个字节：该段选项的长度；

考虑这样情况，主机A发送报文段12345，主机B收到135且报文无差错，SACK用来确保只重传缺少的报文段，而不是重传所有报文段。

SACK选项需要2个功能字节，一个用来指明使用SACK选项(SACK Permission)，另一指明这个选项占多少字节。

那怎么形容丢失的报文段2，说明2的左右边界分别是1、3。TCP的数据报文是有字块边界的，而这种边界是由序列号表示的。


最多能指明多少个字节块的边界信息呢？答案是4个。这是因为选项字段最大是40字节，去除2个功能字节，序列号是32位即4字节，并且需要左右边界，所以(40-2)/8 = 4。

4、数据

TCP首部结束之后的部分

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