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TCP/IP协议族的传输层基础（2）——TCP协议的头部结构

分类: 文章 • 2023-10-29 21:10:04
TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
TCP协议为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流的服务。
可靠的
  • TCP采用发送应答机制（ACK），这是TCP可靠传输的关键，其他的可靠传输基本上在这基础上添加的一些方法，即发送端发送的每一个报文都必须得到对方的应答，才认为这个TCP报文段传输成功。
  • TCP采用超时重传机制，发送端发送出一个TCP报文段之后启动定时器，如果在定时间内未收到应答，它将重发该报文
  • TCP头部有一个32位序号，TCP协议最终都是通过IP协议发送的，IP协议到达对端之后可能是混乱的，重复的，所以有了这个序号就可以对TCP协议进行重排、整理，再交给应用层

面向连接的
  • TCP协议通信的双发必须先建立连接，然后才能开始数据的读写。
  • 双发都必须要为连接分配必要的内核资源，以管理连接的状态和连接上数据的传输。
  • 连接完成之后，双方都必须释放连接所占用的系统资源。
  • TCP的这种连接是一对一的，所以基于广播和多播（目标是多个主机地址）的应用程序不能适用于TCP协议，因此这种广播和多播的程序经常使用UDP

基于流的
  • 区别于UDP的基于数据报
  • 发送端应用程序执行写操作的时候，TCP内核先将其写入到发送缓冲区中，当真正要发送的时候，再将发送缓冲区中的内容分成一个或多个TCP数据报发出，这跟应用程序执行写的次数并没有直接关系（比如写了8次，结果最终只发送了一个TCP数据报）
  • TCP数据报到达对端后，先被TCP内核放到了接收缓冲区中，当接收端应用程序进行读操作的时候，可以分多次读出缓冲区中的内容，也可以一次读出所有内容，这取决于缓冲区的大小，因此读操作的次数和接收到的TCP报文的数目也并没有直接的关系

下面是TCP报文的格式
TCP/IP协议族的传输层基础（2）——TCP协议的头部结构

  • 源/目的端口号：表示数据从哪个端口来，到哪个端口去
  • 32位序号/32位确认序号：发送端将发送的数据进行标号，系统随机生成一个ISN（初始序号值），后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中偏移。标的号在32位序号中，接收端确认收到的序号，将收到的序号的下一个序号通过确认序号发送（比如发送端发了1000-2000的数据，就在序号中填写ISN+1000，接收方确认应答给发送方发送确认应答2001序号，表示1000-2000的数据都接收到了）
  • 4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节），所以TCP头部最大长度是15*4=60，最多有60和字节（包括固定大小20个字节）。
  • 6位标志位
    • URG：紧急指针是否有效
    • ACK：确认号是否有效
    • PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
    • RST：对方要求重新建立连接，携带RST标识的称为复位报文段
    • SYN：请求建立连接，携带SYN标识的称为同步报文段      
    • FIN：通知对方，本端要关闭了，携带FIN标识的称为结束报文段         
  • 16位窗口大小：是TCP流量控制的一个手段，这个窗口指的是接收通告窗口。接收方将自己可以接受的缓冲区大小放入这个字段，通过ACK发送给发送端，这样发送方就可以控制自己的发送速度。
  • 16位校验和：发送端填充，CRC（校验方式，完全累加）校验，接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处检验和不包含TCP首部，也包含数据部分
  • 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据    

使用tcpdump抓包查看TCP报文的内容
TCP/IP协议族的传输层基础（2）——TCP协议的头部结构
  • Flags[S]：表示该TCP报文段包含SYN标志，它是一个同步报文段，其他报文是其他标志，比如Flags[F]就是结束报文段
  • seq是序号值，这个是系统随机生成的，因为这是该传输方向上的第一个报文，因此这个这就是ISN的值，并且它没有确认序号，因为对端还没有响应且这是第一个报文
  • win是发送端告诉接收端自己的窗口大小。
  • options是TCP中的选项，其具体内容在方括号中。
    • mss是发送端通告的最大报文段长度（Max Segment Size），这里是65495，是MTU减去了IP头部的20字节和TCP头部的20字节。
    • sackok表示发送端支持并同意使用SACK选项
    • TS val是发送端的时间戳
    • ecr是时间戳回显应答，因为这是一次TCP通信的第一个TCP报文段，所以它针对对方的时间戳的应答为0（尚未收到对方的时间戳）
    • nop是一个空操作选项
    • wscale指出发送端使用的窗口扩大因子为8
接下来分析输出的字节码中属于TCP部分的信息（到第二行0001为止，前面的都是IP头部，具体什么意思还请看另一篇博客IP协议头部信息）
十六进制数
十进制表示
TCP头部信息
0xe740
59200
16位源端口号
0x0017
23
16位目的端口号
0xc70d9753
‭3339556691‬
32位序号
0x00000000
0
32位确认序号
0xa
10
4位首部长度（10个32位）
0x002
2（000000 000010 ）
前6位保留，后6位设置SYN标记
0xaaaa
43960
16位窗口大小
0xfe30

16位校验和
0x0000

16位紧急指针（这里没设置）
剩下的都是选项部分的内容，这里我们暂时不看。

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