TCP协议的首部字段拆解分析

原创

潋湄

修改于 2024-12-11 09:34:11

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今日推荐文章：https://cloud.tencent.com/developer/article/2458050 这篇文章详细讲解了TCP全面的三次握手、四次挥手、超时重传、流量控制以及拥塞控制等各个方面，本文相当于该篇文章的详细版本，看完有助于更加透彻地了解本文

TCP协议是网络传输中十分重要的组件，如果用一句话来描述TCP协议：TCP是一个可靠的(reliable)、面向连接的(connection-oriented)、基于字节流的(byte-stream)、全双工的(full-duplex)协议，而本篇文章将会带大家全面了解TCP协议中的基石——TCP首部信息

TCP协议首部字段总览

源端口与目标端口

通过使用wireShark工具对访问网络的连接进行抓包我们可以得到如下信息：

一般来说，IP层协议会存储源IP与目标IP，而TCP协议层做的事情则是存储源端口与目标端口，源IP、源端口、目标IP、目标端口唯一确定了TCP的一个四元组，一个四元组可以唯一确定一个标识，一台主机上的端口号最多有65536个，而端口号也分为好几种，有熟知端口号，端口范围为(0~1023)，例如SSH连接的22端口号、HTTP连接的80端口号，已登记的端口号，端口范围为(1024~49151)，例如MySQL数据库默认连接的端口号是3306，Redis连接的端口号为6379，还有临时端口号，端口范围为(49151~65535)，这类端口号一般是由机器临时分配的，在没有使用时会进行回收再次利用

序列号(Sequence Number)

序列号的作用是确定发送数据包的先后顺序，同时在建立连接、防止发送失败等场景也有重要作用，当客户端向服务端发送一个数据包时，通过数据包对应的序列号与报文长度，服务端可以唯一确定发送的是哪一段数据

同时由于网络层(IP层)并不保证发送包的顺序，通过序列号TCP协议可以解决网络包乱序、重复的问题，以保证能够按照顺序接收网络包，例如如果发送方发送包的顺序是1,2,3,4，但是到达接收方的顺序为3,2,1,4,2，那么接收方就可以通过序列号剔除多余包并按照顺序进行接收组装

确认号(ACK)

TCP使用确认号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，确认号在数据包重传过程中有重要应用，例如在快速重传中，当发送方收到连续三个一样的ACK时，就会知道对应ACK之后的数据包丢失，会进行重传：

在客户端与服务端建立连接时，会通过发送初始序列号(SYN)来建立连接，如果对应的期望序列号与ACK都满足预期，那么说明连接建立成功，而这也就是所谓的三次握手：

而关于确认号有几个值得注意的地方：

1）不是所有的包都需要确认，TCP协议中有Nagle算法，其主要作用就是当双方都会互相发送数据时，会将几个包合并起来进行一次发送，这时只需要对最后发送的包进行确认即可，而无需对所有发送的包进行确认

2）不是收到了数据包就会立刻进行确认，可以延迟一会儿进行确认，例如在Linux网络通信中有延迟确认机制，当接收方收到数据包时，不会进行延迟确认，它可能会等待处于重传过程中的数据包，或者等到接收到多个数据包时，回复最后一个接收到的数据包对应的下一个ACK，以减少网络之间的通信量

3）确认号表示小于这个数字的所有序列号都已经收到了，这也是通信双方进行网络传输的核心要点

TCP Flags

在往下就是TCP的标记了，在标记之前有头部长度，主要用于确定读取多少长度的头部字段，保留位可以由用户自定义字段实现特定功能，接下来我们详细介绍一下TCP的这些标记位：

SYN(Synchronize)：用于发起连接数据包同步双方的初始序列号

ACK(Acknowledge)：确认数据包

RST(Reset)：用于强制断开连接，无论是否还有数据包都会直接断开连接，一般只有在连接不合法或者出现异常情况时才会使用

FIN(Finish)：同时对方已经发送完了所有数据，准备断开连接

PSH(Push)：告知对方这些数据包发送完后应该马上交给上层应用，不能缓存起来

窗口大小

用于表示窗口大小的位数只有16位，换算一下也就是65536字节(64KB)，这个大小对于当下计算机系统来说肯定是远远不够用的，因此TCP协议又引入了TCP窗口缩放这个选项作为窗口缩放的比例因子，比例因子的范围为0~14，即最小0为原来大小64KB，最大14为原来大小64KB*(1<<14)，窗口缩放值会在三次握手时指定，例如在用wireShark抓包后，展示的窗口大小为65536：