文章目錄

• 一：TCP頭部格式詳解
• • （1）4位首部長(zhǎng)度
  • （2）序列號(hào)和確認(rèn)應(yīng)答號(hào)
  • • A：可靠性問(wèn)題
    • B：32位序號(hào)和確認(rèn)號(hào)
  • （3）窗口大小
  • （4）標(biāo)志位
  • （5）緊急指針
  • • A：帶外數(shù)據(jù)(out_of _band)
    • B：URG
  • （6）校驗(yàn)和
• 二：Linux中的TCP實(shí)現(xiàn)

一：TCP頭部格式詳解

（1）4位首部長(zhǎng)度

標(biāo)準(zhǔn)TCP報(bào)頭寬度為4個(gè)字節(jié)，總計(jì)4×5=20個(gè)字節(jié)，所以在收到一個(gè)TCP報(bào)頭后首先會(huì)讀取20個(gè)字節(jié)（也就是報(bào)頭信息）

報(bào)頭中的選項(xiàng)是可有也可以沒(méi)有的，關(guān)鍵就取決于4位首部長(zhǎng)度。它表示該TCP頭部有多少個(gè)32位bit（也就是有多少個(gè)4字節(jié)）。這4位是一個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)，取值范圍為0000~1111，也即是0到15，當(dāng)為1111時(shí)表示該TCP報(bào)頭有15個(gè)4字節(jié)（60字節(jié)），而標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度是20字節(jié)，所以選項(xiàng)最多是40字節(jié)

4位首部長(zhǎng)度不可能是全0，因?yàn)門(mén)CP報(bào)頭長(zhǎng)度至少是20字節(jié)，也就是至少是20/4=5，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制序列為0101

于是TCP分離有效載荷和報(bào)頭時(shí)，拿到TCP報(bào)文后先直接讀取20字節(jié)，然后拿出4位首部長(zhǎng)度進(jìn)行分析，如果就是5那么剩下的就是數(shù)據(jù)，如果不是5，再讀取相應(yīng)字節(jié)數(shù)即可

**TCP和UDP不一樣，UDP中有包長(zhǎng)度來(lái)確定數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，在TCP中是不需要包長(zhǎng)度的，因?yàn)門(mén)CP并不需要按照數(shù)據(jù)塊交付，是面向字節(jié)流的，怎么讀，讀多少是應(yīng)用層協(xié)議需要做的事情，而它只負(fù)責(zé)將其讀入緩沖區(qū)中。**報(bào)文的完整性依靠校驗(yàn)和完成

（2）序列號(hào)和確認(rèn)應(yīng)答號(hào)

A：可靠性問(wèn)題

可靠性涉及很多層面，比如數(shù)據(jù)有序，準(zhǔn)確等等。但是這一切一切都要有一個(gè)前提，那么就是如何保證數(shù)據(jù)對(duì)方收到？

假設(shè)有兩個(gè)人A和B隔著很遠(yuǎn)的距離喊話。A首先向B喊：**B你聽(tīng)到了沒(méi)有？**如果此時(shí)A沒(méi)有聽(tīng)到B的回應(yīng)，那么對(duì)于A來(lái)說(shuō)他一般會(huì)有兩種感覺(jué)：我說(shuō)的話你沒(méi)有聽(tīng)見(jiàn)或者你說(shuō)的話我沒(méi)有聽(tīng)見(jiàn)， 顯而易見(jiàn)對(duì)于A來(lái)說(shuō)他更傾向于第一種感覺(jué)，所以A在沒(méi)有得到反饋時(shí)他一定會(huì)再次喊話

那什么時(shí)候A能確認(rèn)B已經(jīng)收到了自己的信息呢？當(dāng)然是B的收到信息反饋給了A，也就是說(shuō)這種反饋信息只是對(duì)A是有價(jià)值的，A通過(guò)B的反饋信息確認(rèn)了我的信息已經(jīng)傳達(dá)到了。

但是這里又產(chǎn)生了新的問(wèn)題，對(duì)于A來(lái)說(shuō)它得到了B的反饋確認(rèn)了自己的信息已經(jīng)遞達(dá)，但是對(duì)于B呢，B在發(fā)出反饋信息時(shí)，對(duì)于B他如何確認(rèn)自己的反饋信息也傳達(dá)到了A那里了呢？，顯然A也發(fā)送反饋信息給B，如果B收到了那么B也就確認(rèn)了。但是這里往返傳遞，總會(huì)有一條消息處于未決狀態(tài)，總有一條消息無(wú)法得到收到反饋，最后一條消息無(wú)法保證可靠性

所以互聯(lián)網(wǎng)通信中是不可能有絕對(duì)的可靠性的，只能保證相對(duì)的可靠性，也就是這種相對(duì)可靠性指的是，只要收到了對(duì)方的應(yīng)答，就認(rèn)為之前的數(shù)據(jù)對(duì)方已經(jīng)收到

于是我們說(shuō)：TCP基于的是確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制

在TCP三次握手中，客戶端發(fā)送請(qǐng)求號(hào)，服務(wù)端給客戶端的反饋就是圖中的ACK。
如果ACK在傳輸途中丟了，如果服務(wù)端長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有接受到客戶端回應(yīng)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)重傳機(jī)制，進(jìn)行重傳。

這里有一個(gè)很大的誤區(qū)：我們不需要對(duì)ACK再ACK，因?yàn)橐坏┠銓?duì)ACK進(jìn)行ACK了，那么你就需要對(duì)ACK的ACK再進(jìn)行ACK，這是一個(gè)無(wú)休無(wú)止的過(guò)程。確認(rèn)應(yīng)答并不是對(duì)ACK保證可靠性，而是通過(guò)ACK保證上一次發(fā)的消息時(shí)可靠的

B：32位序號(hào)和確認(rèn)號(hào)

網(wǎng)絡(luò)傳輸畢竟是遠(yuǎn)距離傳輸，所以會(huì)受到各種因素的影響，在傳輸過(guò)程中極有可能出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象發(fā)生。而如果包都能達(dá)到，有可能會(huì)涉及到的亂序的問(wèn)題，所以如果保證數(shù)據(jù)按序到達(dá)也是可靠性的一種體現(xiàn)

32位序號(hào)

假如有三段TCP報(bào)文，需要按照以下順序發(fā)送給服務(wù)端

• 你好
• 在嗎
• 去吃飯

如果TCP沒(méi)有保證的有序的機(jī)制，那么這三段報(bào)文到達(dá)服務(wù)端的順序可能會(huì)多種多樣，比如

• 去吃飯
• 你好
• 在嗎

TCP中的32位序號(hào)可以保證數(shù)據(jù)有序到達(dá)。如果數(shù)據(jù)由客戶端發(fā)送給服務(wù)端，那么32位序號(hào)就由客戶端填寫(xiě)，它保證的就是客戶端的數(shù)據(jù)有序到達(dá)服務(wù)端（反之亦然）。客戶端在發(fā)送時(shí)會(huì)為發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行編號(hào)，比如

你好

在嗎

去吃飯

服務(wù)端收到之后即便是亂序的，它也可以根據(jù)編號(hào)進(jìn)行排序

32位確認(rèn)號(hào)

上面的三條數(shù)據(jù)：1“你好”，2“在嗎”，3“去吃飯”在客戶端發(fā)送出去后，服務(wù)端接受會(huì)給三個(gè)ACK，分別為ACK1，ACK2，ACK3。那么這里存在一個(gè)問(wèn)題，客戶端如何確認(rèn)現(xiàn)在到來(lái)的ACK是對(duì)我發(fā)出的哪一條數(shù)據(jù)的確認(rèn)反饋呢？，如果其中有一個(gè)ACK丟了，那還不亂套了。

32位確認(rèn)序號(hào)可以保證得到的ACK是相應(yīng)報(bào)文的反饋。舉個(gè)例子，客戶端個(gè)發(fā)送的順序?yàn)?,2,3，如果客戶端此時(shí)收到的ACK中的確認(rèn)序號(hào)是2，那么對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)，它就認(rèn)為它之前發(fā)送的1號(hào)已經(jīng)收到了，現(xiàn)在應(yīng)該從2開(kāi)始發(fā)，如果受到的ACK確認(rèn)序號(hào)是9，那么表示2也收到了。
所以如果發(fā)送順序?yàn)?,2,3，那么ACK順序則應(yīng)該為2,3,4。但如果確認(rèn)序號(hào)中2,3丟了，只收到了4，對(duì)于客戶端來(lái)說(shuō)它就會(huì)認(rèn)為3之前的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部收到。所以這就代表TCP可以少量丟包

32位序號(hào)和確認(rèn)序號(hào)為什么要同時(shí)存在

需要注意的是TCP是全雙工的。客戶端給服務(wù)端發(fā)送時(shí)，服務(wù)端關(guān)心的就是序號(hào)，客戶端關(guān)心的確認(rèn)序號(hào)。但同時(shí)服務(wù)端也會(huì)給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，所以同時(shí)客戶端也會(huì)關(guān)心序號(hào)，而服務(wù)端也會(huì)關(guān)心確認(rèn)序號(hào)

（3）窗口大小

窗口大小是指發(fā)送方接受緩沖區(qū)中剩余空間的容量，用于流量控制。

• 如下，接受和發(fā)送緩沖區(qū)
  

因?yàn)榇翱诖笮〉哪康木褪且寣?duì)方明白我這個(gè)接收端現(xiàn)在的接受緩沖區(qū)容量的大小，讓發(fā)送端看實(shí)際情況發(fā)送。不要造成我都快滿了，對(duì)方還硬要發(fā)的局面（雖然有滿了之后有重傳機(jī)制，但是這種占用網(wǎng)絡(luò)資源的行為是一種設(shè)計(jì)問(wèn)題）

（4）標(biāo)志位

TCP功能非常強(qiáng)大，有建立連接的、有關(guān)閉連接的，還有一些正常數(shù)據(jù)報(bào)文等等。那么雙方是如何區(qū)分不同功能的TCP報(bào)文呢？正是通過(guò)其中的標(biāo)志位，如果某個(gè)標(biāo)志位被設(shè)置為1，表示該標(biāo)志位生效。

SYN

當(dāng)SYN為1時(shí)，表示希望建立連接，并在其【序列號(hào)】的字段1進(jìn)行序列號(hào)初始值的設(shè)定

FIN

當(dāng)該位為1時(shí)，表示今后不再會(huì)有數(shù)據(jù)發(fā)送，希望斷開(kāi)連接。當(dāng)通信結(jié)束希望斷開(kāi)連接時(shí)，通信雙發(fā)的主機(jī)可以相互交換FIN位為1的TCP段

ACK

當(dāng)該位位1時(shí)，【確認(rèn)應(yīng)答】字段變?yōu)橛行?#xff0c;TCP規(guī)定除了最初建立連接時(shí)的SYN包之外該位必須設(shè)置為1

PSH

當(dāng)該位設(shè)置為1時(shí)，表示發(fā)送端催促接收端盡管向應(yīng)用層交付數(shù)據(jù)，及時(shí)清空緩沖區(qū)，以便后續(xù)數(shù)據(jù)到來(lái)

RST

當(dāng)該位設(shè)置為1時(shí)，表示TCP連接中出現(xiàn)異常必須強(qiáng)制斷開(kāi)連接。

URG

當(dāng)該位設(shè)置為1時(shí)，表示TCP報(bào)文中發(fā)送的數(shù)據(jù)含有緊急數(shù)據(jù)。也就是16位緊急指針只有當(dāng)URG為1時(shí)才有效

（5）緊急指針

A：帶外數(shù)據(jù)(out_of _band)

傳輸層協(xié)議使用帶外數(shù)據(jù)(out-of-band,OOB)來(lái)發(fā)送一些重要的數(shù)據(jù),如果通信一方有重要的數(shù)據(jù)需要通知對(duì)方時(shí),協(xié)議能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)快速地發(fā)送到對(duì)方.為了發(fā)送這些數(shù)據(jù),協(xié)議一般不使用與普通數(shù)據(jù)相同的通道,而是使用另外的通道

如何理解呢？你可以想象一個(gè)場(chǎng)景：銀行處理業(yè)務(wù)時(shí)人們需要排隊(duì)，這時(shí)進(jìn)來(lái)了一個(gè)強(qiáng)盜，他搖搖晃晃，大搖大擺排隊(duì)直接走到了銀行職員前面，為什么他這么放肆呢？因?yàn)樗掷镉幸话褬?#xff0c;最后他用搶抵著職員的腦袋逼迫她先為自己辦理業(yè)務(wù)。
此時(shí)這個(gè)強(qiáng)盜就可以看作一個(gè)帶外數(shù)據(jù)，而職員也一定會(huì)優(yōu)先處理他，因?yàn)樗靼状藭r(shí)情況很緊急。

B：URG

linux系統(tǒng)的套接字機(jī)制支持低層協(xié)議發(fā)送和接受帶外數(shù)據(jù).但是TCP協(xié)議沒(méi)有真正意義上的帶外數(shù)據(jù).為了發(fā)送重要協(xié)議,TCP提供了一種稱為緊急模式(urgentmode)的機(jī)制.TCP協(xié)議在數(shù)據(jù)段中設(shè)置URG位,表示進(jìn)入緊急模式.接收方可以對(duì)緊急模式采取特殊的處理.很容易看出來(lái),這種方式數(shù)據(jù)不容易被阻塞,可以通過(guò)在我們的服務(wù)器端程序里面捕捉SIGURG信號(hào)來(lái)及時(shí)接受數(shù)據(jù)或者使用帶OOB標(biāo)志的recv函數(shù)來(lái)接受.

（6）校驗(yàn)和

校驗(yàn)和失敗，丟棄數(shù)據(jù)。觸發(fā)重傳

• 比如發(fā)送順序報(bào)文1,2,3,4,5，其中3號(hào)報(bào)文校驗(yàn)和失敗，那么確認(rèn)應(yīng)答就是3，表示從3繼續(xù)開(kāi)始發(fā)。

二：Linux中的TCP實(shí)現(xiàn)

Linux中TCP的報(bào)頭本質(zhì)就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體

struct tcphdr {__be16 source;//源端口號(hào)__be16 dest;//目的端口號(hào)__be32 seq;//序號(hào)__be32 ack_seq;//確認(rèn)序號(hào) #if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)//標(biāo)志位采用位段實(shí)現(xiàn)__u16 res1:4,doff:4,fin:1,syn:1,rst:1,psh:1,ack:1,urg:1,ece:1,cwr:1; #elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)__u16 doff:4,res1:4,cwr:1,ece:1,urg:1,ack:1,psh:1,rst:1,syn:1,fin:1; #else #error "Adjust your <asm/byteorder.h> defines" #endif __be16 window;//窗口大小__sum16 check;//校驗(yàn)和__be16 urg_ptr;//緊急指針 };

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的4-4：TCP协议之TCP头部格式详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。