TCP頭部字段詳解

1. 源端口和目的端口（各16位）

• 功能：標識發送和接收應用程序

• 范圍：0-65535（0-1023為知名端口）

• 技術細節：

  • 客戶端通常使用臨時端口（1024-65535）

  • 服務端使用固定端口（如HTTP=80, HTTPS=443）

  • 支持端口復用（SO_REUSEPORT選項）

// Linux內核端口選擇算法 (net/ipv4/inet_connection_sock.c)
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {// ... 實現端口自動選擇和沖突處理
}

2. 序列號（32位）

• 功能：標識發送的數據字節流

• 初始序列號（ISN）：基于時鐘的隨機算法（RFC 6528）

  • 防止序列號預測攻擊

  • 避免舊連接的報文干擾

• 內核實現：

  // Linux ISN生成算法 (net/ipv4/tcp_ipv4.c)
  u32 secure_tcp_seq(__be32 saddr, __be32 daddr,__be16 sport, __be16 dport) {// 使用SipHash加密算法生成
  }

• 回繞處理：當序列號達到2^32-1時回繞到0

3. 確認號（32位）

• 功能：期望收到的下一個字節的序列號

• 累積確認機制：確認號N表示所有小于N的字節已收到

• 選擇性確認（SACK）：通過TCP選項實現非連續確認

4. 數據偏移（4位）

• 功能：指定TCP頭部長度（以4字節為單位）

• 計算：頭部長度 = 數據偏移 × 4

• 范圍：5（最小20字節）到15（最大60字節）

5. 保留位（4位）

• 必須置0，為未來協議擴展保留

• 實際使用中可能被實驗性協議使用（需IANA批準）

6. 控制標志（9位）

標志組合示例：

• SYN+ACK：連接建立響應

• FIN+ACK：正常連接終止

• PSH+ACK：即時數據傳輸

7. 窗口大小（16位）

• 功能：接收方通告的可用緩沖區大小

• 流量控制機制：動態調整發送速率

• 窗口縮放選項：通過選項擴展窗口大小（最高1GB）

  // Linux內核窗口縮放處理 (net/ipv4/tcp_input.c)
  void tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) {// ... 處理窗口縮放選項
  }

• 零窗口探測：當窗口為0時發送探測報文

8. 校驗和（16位）

10. 選項字段（可變長度）

選項結構：

+--------+--------+--------+--------+
| Kind   | Length | Data...         |
+--------+--------+--------+--------+

核心選項詳解：

• 覆蓋范圍：TCP頭部+數據+偽頭部

• 偽頭部結構：

  0      7 8     15 16    23 24    31
  +--------+--------+--------+--------+
  |          source address           |
  +--------+--------+--------+--------+
  |        destination address        |
  +--------+--------+--------+--------+
  |  zero  |  PTCL  |    TCP length   |
  +--------+--------+--------+--------+

• 計算算法：

  uint16_t tcp_checksum(const void *buff, size_t len, in_addr_t src_addr, in_addr_t dest_addr) {uint32_t sum = 0;const uint16_t *ptr = buff;// 偽頭部計算struct pseudo_header psh = {src_addr, dest_addr, htons(IPPROTO_TCP), htons(len)};sum = calculate(&psh, sizeof(psh));// 數據計算while (len > 1) {sum += *ptr++;len -= 2;}if (len > 0) sum += (*ptr) & htons(0xFF00);// 折疊進位sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);sum += (sum >> 16);return (uint16_t)(~sum);
  }

  9. 緊急指針（16位）

• 功能：當URG=1時，指示緊急數據結束位置

• 計算：緊急數據結束 = 序列號 + 緊急指針

• 實際應用：SSH/Telnet的中斷命令（Ctrl+C）

以超時重傳為例，假設客戶端（Client）向服務器（Server）發送數據包，但未收到ACK確認。

場景步驟：

Client發送數據包（初始傳輸）：

• TCP頭部包含選項字段（如時間戳）：

  數據偏移 = 8（頭部總長32字節 = 8 × 4）
  選項字段：時間戳（Timestamp）值 = T1
  序列號（Seq） = 100
  數據 = "Hello"
  

• 數據包結構：

  | 20字節固定頭部 | 12字節選項（時間戳） | 數據 "Hello" |
  

Server未收到該包（可能因網絡擁塞丟失）：

• Client在重傳超時（RTO）?后未收到ACK，觸發重傳。

Client重傳數據包

數據偏移 = 8（長度不變）
選項字段：時間戳值 = T2（T2 > T1）
序列號（Seq）仍為 100（相同數據）
數據 = "Hello"（不變）

關鍵點分析：

• 選項長度一致性：重傳時數據偏移值仍為8，表明頭部長度未變（選項字段仍存在）。
• 選項內容變化：時間戳更新（T1 → T2），幫助計算RTT（往返時間）和重傳延遲。
• 接收方處理：Server通過數據偏移=8跳過32字節頭部，直接解析數據"Hello"。