重學TCP協議（2） TCP 報文首部

1. TCP 報文首部

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1.1 源端口和目標端口

每個TCP段都包含源端和目的端的端口號，用于尋找發端和收端應用進程。這兩個值加上IP首部中的源端IP地址和目的端IP地址唯一確定一個TCP連接

端口號分類

  • 熟知端口號（well-known port）
  • 已登記的端口（registered port）
  • 臨時端口號（ephemeral port）
1.1.1 熟知端口號（well-known port）

熟知端口號由專門的機構由 IANA 分配和控制，范圍為 0~1023。為了能讓客戶端能隨時找到自己，服務端程序的端口必須要是固定的。很多熟知端口號已經被用就分配給了特定的應用，比如 HTTP 使用 80端口，HTTPS 使用 443 端口，ssh 使用 22 端口。

1.1.2 已登記的端口（registered port）

已登記的端口不受 IANA 控制，不過由 IANA 登記并提供它們的使用情況清單。它的范圍為 1024～49151。

1.1.3 臨時端口號（ephemeral port）

如果應用程序沒有調用 bind() 函數將 socket 綁定到特定的端口上，那么 TCP 和 UDP 會為該 socket 分配一個唯一的臨時端口。IANA 將 49152～65535 范圍的端口稱為臨時端口（ephemeral port）或動態端口（dynamic port），也稱為私有端口（private port），這些端口可供本地應用程序臨時分配端口使用。

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1.2 序列號

TCP 是面向字節流的協議，通過 TCP 傳輸的字節流的每個字節都分配了序列號，序列號（Sequence number）指的是本報文段第一個字節的序列號

序列號用來標識從T C P發端向T C P收端發送的數據字節流，它表示在這個報文段中的的第一
個數據字節。如果將字節流看作在兩個應用程序間的單向流動，則 T C P用序號對每個字節進
行計數。序號是32 bit的無符號數，序號到達23 2－1后又從0開始。

1.2.1 初始序列號（Initial Sequence Number, ISN）

在建立連接之初，通信雙方都會各自選擇一個序列號，稱之為初始序列號。在建立連接時，通信雙方通過 SYN 報文交換彼此的 ISN

當建立一個新的連接時， S Y N標志變1。序號字段包含由這個主機選擇的該連接的初始序號I S N（Initial Sequence Number）。該主機要發送數據的第一個字節序號為這個 I S N加1，因為
S Y N標志消耗了一個序號

1.3 確認號

TCP 使用確認號（Acknowledgment number, ACK）來告知對方下一個期望接收的序列號，小于此確認號的所有字節都已經收到。

既然每個傳輸的字節都被計數，確認序號包含發送確認的一端所期望收到的下一個序號。因此，確認序號應當是上次已成功收到數據字節序號加 1。只有A C K標志（下面介紹）為 1時確認序號字段才有效。

1.4 TCP Flags

TCP 有很多種標記，有些用來發起連接同步初始序列號，有些用來確認數據包，還有些用來結束連接。TCP 定義了一個 8 位的字段用來表示 flags，大部分都只用到了后 6 個

  • U R G 緊急指針（u rgent pointer）有效（見2 0 . 8節）。
  • A C K 確認序號有效。
  • P S H 接收方應該盡快將這個報文段交給應用層。
  • R S T 重建連接。
  • S Y N 同步序號用來發起一個連接。這個標志和下一個標志將在第 1 8章介紹。
  • F I N 發端完成發送任務。

1.5 窗口大小

T C P的流量控制由連接的每一端通過聲明的窗口大小來提供。窗口大小為字節數，起始
于確認序號字段指明的值，這個值是接收端正期望接收的字節。窗口大小是一個 16 bit字段，
因而窗口大小最大為 6 5 5 3 5字節。

TCP 協議引入了「TCP 窗口縮放」選項 作為窗口縮放的比例因子，比例因子值的范圍是 0 ~ 14，其中最小值 0 表示不縮放，最大值 14。比例因子可以將窗口擴大到原來的 2 的 n 次方，比如窗口大小縮放前為 1050，縮放因子為 7，則真正的窗口大小為 1050 * 128 = 134400。窗口縮放值在三次握手的時候指定，如果抓包的時候沒有抓到 SYN 包，wireshark 是不知道真正的窗口縮放值是多少的。

1.6 緊急指針

只有當U R G標志置1時緊急指針才有效。緊急指針是一個正的偏移量，和序號字段中的值
相加表示緊急數據最后一個字節的序號。 T C P的緊急方式是發送端向另一端發送緊急數據的
一種方式。

1.7 檢驗和

檢驗和覆蓋了整個的T C P報文段：T C P首部和T C P數據。這是一個強制性的字段，一定是
由發端計算和存儲，并由收端進行驗證。

1.8 可選項

常用的選項有以下幾個：

  • MSS：最大段大小選項，是 TCP 允許的從對方接收的最大報文段
    最常見的可選字段是最長報文大小，又稱為 MSS (Maximum Segment Size)。每個連接方通常都在通信的第一個報文段（為建立連接而設置 S Y N標志的那個段）中指明這個選項。它指明本端所能接收的最大長度的報文段。

  • SACK：選擇確認選項

  • Window Scale：窗口縮放選項

參考資料

《深入理解 TCP 協議：從原理到實戰》

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