TCP头部字段详解

1. 源端口和目的端口（各16位）

• 功能：标识发送和接收应用程序

• 范围：0-65535（0-1023为知名端口）

• 技术细节：

  • 客户端通常使用临时端口（1024-65535）

  • 服务端使用固定端口（如HTTP=80, HTTPS=443）

  • 支持端口复用（SO_REUSEPORT选项）

// Linux内核端口选择算法 (net/ipv4/inet_connection_sock.c)
int inet_csk_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum) {// ... 实现端口自动选择和冲突处理
}

2. 序列号（32位）

• 功能：标识发送的数据字节流

• 初始序列号（ISN）：基于时钟的随机算法（RFC 6528）

  • 防止序列号预测攻击

  • 避免旧连接的报文干扰

• 内核实现：

  // 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
  }

• 回绕处理：当序列号达到2^32-1时回绕到0

3. 确认号（32位）

• 功能：期望收到的下一个字节的序列号

• 累积确认机制：确认号N表示所有小于N的字节已收到

• 选择性确认（SACK）：通过TCP选项实现非连续确认

4. 数据偏移（4位）

• 功能：指定TCP头部长度（以4字节为单位）

• 计算：头部长度 = 数据偏移 × 4

• 范围：5（最小20字节）到15（最大60字节）

5. 保留位（4位）

• 必须置0，为未来协议扩展保留

• 实际使用中可能被实验性协议使用（需IANA批准）

6. 控制标志（9位）

标志组合示例：

• SYN+ACK：连接建立响应

• FIN+ACK：正常连接终止

• PSH+ACK：即时数据传输

7. 窗口大小（16位）

• 功能：接收方通告的可用缓冲区大小

• 流量控制机制：动态调整发送速率

• 窗口缩放选项：通过选项扩展窗口大小（最高1GB）

  // Linux内核窗口缩放处理 (net/ipv4/tcp_input.c)
  void tcp_rcv_synsent_state_process(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) {// ... 处理窗口缩放选项
  }

• 零窗口探测：当窗口为0时发送探测报文

8. 校验和（16位）

10. 选项字段（可变长度）

选项结构：

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

核心选项详解：

• 覆盖范围：TCP头部+数据+伪头部

• 伪头部结构：

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

• 计算算法：

  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;// 伪头部计算struct pseudo_header psh = {src_addr, dest_addr, htons(IPPROTO_TCP), htons(len)};sum = calculate(&psh, sizeof(psh));// 数据计算while (len > 1) {sum += *ptr++;len -= 2;}if (len > 0) sum += (*ptr) & htons(0xFF00);// 折叠进位sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);sum += (sum >> 16);return (uint16_t)(~sum);
  }

  9. 紧急指针（16位）

• 功能：当URG=1时，指示紧急数据结束位置

• 计算：紧急数据结束 = 序列号 + 紧急指针

• 实际应用：SSH/Telnet的中断命令（Ctrl+C）

以超时重传为例，假设客户端（Client）向服务器（Server）发送数据包，但未收到ACK确认。

场景步骤：

Client发送数据包（初始传输）：

• TCP头部包含选项字段（如时间戳）：

  数据偏移 = 8（头部总长32字节 = 8 × 4）
  选项字段：时间戳（Timestamp）值 = T1
  序列号（Seq） = 100
  数据 = "Hello"
  

• 数据包结构：

  | 20字节固定头部 | 12字节选项（时间戳） | 数据 "Hello" |
  

Server未收到该包（可能因网络拥塞丢失）：

• Client在重传超时（RTO） 后未收到ACK，触发重传。

Client重传数据包

数据偏移 = 8（长度不变）
选项字段：时间戳值 = T2（T2 > T1）
序列号（Seq）仍为 100（相同数据）
数据 = "Hello"（不变）

关键点分析：

• 选项长度一致性：重传时数据偏移值仍为8，表明头部长度未变（选项字段仍存在）。
• 选项内容变化：时间戳更新（T1 → T2），帮助计算RTT（往返时间）和重传延迟。
• 接收方处理：Server通过数据偏移=8跳过32字节头部，直接解析数据"Hello"。