tcp报文格式(tcp报文格式和实例)

自己算。。。

TCP：传输、控制、协议。TCP与UDP最大却别就在那个C上面，它充分实现了数据传输时各种控制功能。可以进行丢包重发控制，还可以对次序乱掉的数据包进行顺序控制，还能控制传输流量，这些是UDP中没有的。即T C P 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。TCP是一中面向有链接的协议，只有在确认对端存在的时候，才会发送分数据，从而也可以控制通信流量的浪费。什么是可靠的传输：不丢包、不损坏、不乱序、不重复。TCP通过校验和、序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗口控制等机制来实现可靠传输。接收端查询就收数据TCP首部中的序号和数据长度。将自己下一步应该接受的序列号作为确认应答返送回去。就这样，通过序列号和确认应答，TCP实现可靠传输。一般使用TCP首部用于控制的字段来管理连接。一个连接的建立和断开，正常过程中，至少需要来回共7个包才能完成。TCP首部的数据结构如图所示：TCP包首部为了便于理解，忽略选项部分，固定首部通常为20个字节，将按作用分类分析。前4个字节来标识了发送方的端口号和接收方的端口号，即该数据包由谁发送，由谁接收。前2个字节标识源端口号，紧接着2个字节标识目的端口号。即发送方：(11111111,1111111)2= (65535)10，除去0~1023.即接收方：(11111111,1111111)2= (65535)10，除去0~1023.TCP是面向字节流的。在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。整个要传送的字节流的起始序号必须在连接建立时设置。首部中的序号字段值则是指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。长度为4字节，序号是32bit的无符号数,序号到达232- 1后又从0开始。ack：确认序号，即确认字节的序号，更确切地说，是发送确认的一端所期望收到的下一个序号。所谓的发送确认的一端就是将确认信息发出的一端。比如第二次握手的S端就是发送确认的一端。确认序号为上次接收的最后一个字节序号加1.只有确认标志位(ACK)为1的时候，确认序号才有效。也叫首部长度，占4个bit,它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远。TCP报文结构由于首部中还有长度不确定的选项字段，因此数据偏移字段是必要的。“首部长度”是4位二进制数，单位是32位字，能表示的最大十进制数字是15。(1111)2=(15)10,即是15个32位，一个32位是4个字节，因此数据偏移的最大值是154=60个字节，这也是TCP首部的最大字节。因为固定首部的存在，数据偏移的值最小为20个字节，因此选项长度不能超过40字节*（减去20个字节的固定首部）。占6位，保留为今后使用，但目前应置为0。当URG=1时，表明紧急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快发送（相当于高优先级的数据），而不要按原来的排队顺序来传送。例如，已经发送了很长的一个程序要在远地的主机上运行。但后来发现了一些问题，需要取消该程序的运行，因此用户从键盘发出中断命令。如果不使用紧急数据，那么这两个字符将存储在接收TCP的缓存末尾。只有在所有的数据被处理完毕后这两个字符才被交付接收方的应用进程。这样做就浪费了很多时间。当URG置为1时，应用进程就告诉TCP有紧急数据要传送。于是TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍然是普通数据。这时要与首部中紧急指针（Urgent Pointer）字段配合使用。仅当ACK = 1时确认号字段才有效，当ACK = 0时确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有的传送的报文段都必须把ACK置为1。当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应。在这种情况下，TCP就可以使用推送（push）操作。发送方TCP把PSH置为1，并立即创建一个报文段发送出去。接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地（即“推送”向前）交付接收应用进程。而不用再等到整个缓存都填满了后再向上交付。当RST=1时，表明TCP连接中出现了严重错误（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立传输连接。RST置为1还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个连接。在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。因此SYN=1就表示这是一个连接请求或连接接受报文。用来释放一个连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送发的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。占2字节。窗口值是(0，216-1)之间的整数。窗口指的是发送本报文段的一方的接受窗口（而不是自己的发送窗口）,窗口大小是给对方用的。窗口值告诉对方：从本报文段首部中的确认号算起，接收方目前允许对方一次发送的数据量（以字节为单位）。之所以要有这个限制，是因为接收方的数据缓存空间是有限的。总之，窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。例如，A发送了一个报文段，其确认号是3000，窗口字段是1000.这就是告诉对方B：“从3000算起，A接收缓存空间还可接受1000个字节数据，字节序号是3000-3999”，可以想象到河道的阀门。总之：窗口字段明确指出了现在允许对方发送的数据量。窗口值经常在动态变化。占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP用户数据报一样，在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式和UDP用户数据报的伪首部一样。但应把伪首部第4个字段中的17改为6（TCP的协议号是6）；把第5字段中的UDP中的长度改为TCP长度。接收方收到此报文段后，仍要加上这个伪首部来计算检验和。若使用TPv6,则相应的伪首部也要改变。占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急数据结束后就是普通数据） 。因此，在紧急指针指出了紧急数据的末尾在报文段中的位置。当所有紧急数据都处理完时，TCP就告诉应用程序恢复到正常操作。值得注意的是，即使窗口为0时也可以发送紧急数据。长度可变，最长可达40个字节。当没有使用“选项”时，TCP的首部长度是20字节。最大报文段长度(MSS:Maximum Segment Size)表示TCP传往另一端的最大块数据的长度。当一个连接建立时，连接的双方都要通告各自的MSS。当建立一个连接时，每一方都有用于通告它期望接收的MSS选项(MSS选项只能出现在SYN报文段中),如果一方不接收来自另一方的MSS值，则MSS就定为默认值536字节(这个默认值允许20字节的IP首部和20字节的TCP首部以适合576字节IP数据报) 。为什么要规定一个最大报文长度MSS呢？这并不是考虑接受方的接收缓存可能存放不下TCP报文段中的数据。实际上，MSS与接收窗口值没有关系。我们知道，TCP报文段的数据部分，至少要加上40字节的首部（TCP首部20字节和IP首部20字节，这里还没有考虑首部中的可选部分）才能组装成一个IP数据报。若选择较小的MSS长度，网络的利用率就降低。设想在极端情况下，当TCP报文段只含有1字节的数据时，在IP层传输的数据报的开销至少有40字节（包括TCP报文段的首部和IP数据报的首部）。这样，对网络的利用率就不会超过1/41。到了数据链路层还要加上一些开销。但反过来，若TCP报文段非常长，那么在IP层传输时就有可能要分解成多个短数据报片。在终点要把收到的各个短数据报片组成成原来的TCP报文段，当传输出错时还要进行重传，这些也都会使开销增大。因此，MSS应尽可能大些，只要在IP层传输时不需要分片就行。由于IP数据报所经历的路径是动态变化的，因此在这条路径上确定的不需要的分片的MSS，如果改走另一条路径就可能需要进行分片。因此最佳的MSS是很难确定的。在连接过程中，双方都把自己能够支持的MSS写入这一字段，以后就按照这个数值传输数据，两个传送方向可以有不同的MSS值。若主机未填写这一项，则MSS的默认值是536字节长。因此，所有在互联网上的主机都应该接受的报文段长度是536+20（固定首部长度）=556字节。后来又增加了几个选项如窗口扩大选项、时间戳选项等。窗口扩大选项是为了扩大窗口。我们知道，TCP首部中窗口字段长度是16位，因此最大的窗口大小为64K字节。虽然这对早期的网络是足够用的，但对于包含卫星信道的网络，传播时延和宽带都很大，要获得高吞吐量需要更大的窗口大小。窗口扩大选项占3字节，其中有一个字节表示移位值S。新的窗口值等于TCP首部中的窗口位数从16增大到（16+S）。移位值允许使用的最大值是14，相当于窗口最大值增大到2（16+14）-1=230-1。窗口扩大选项可以在双方初始建立TCP连接时进行协商。如果连接的某一端实现了窗口扩大，当它不再需要扩大其窗口时，可发送S=0选项，使窗口大小回到16。时间戳选项占10字节，其中最主要的字段是时间戳字段（4字节）和时间戳回送回答字段（4字节）。时间戳选项有以下两个概念：第一、 用来计算往返时间RTT。发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入时间戳字段，接收方在确认该报文段时把时间戳字段复制到时间戳回送回答字段。因此，发送方在收到确认报文后，可以准确地计算出RTT来。第二、 用于处理TCP序号超过232的情况，这又称为防止序号绕回PAWS。我们知道，TCP报文段的序号只有32位，而每增加232个序号就会重复使用原来用过的序号。当使用高速网络时，在一次TCP连接的数据传送中序号很可能被重复使用。例如，当使用1.5Mbit/s的速度发送报文段时，序号重复要6小时以上。但若用2.5Gbit/s的速率发送报文段，则不到14秒钟序号就会重复。为了使接收方能够把新的报文段和迟到很久的报文段区分开，则可以在报文段中加上这种时间戳。从功能和性能的角度去理解三次握手建立连接第一次：C向S发送一个建立连接的请求。此过程中携带一些报文属性信息，这些信息，存在于报文首部，有初始化用的信息，比如，有用于认证的信息。初始化信息：如报文序列号、SYN：TCP在数据通信之前，通过TCP首部发送的一个SYN标志位，作为建立连接的请求等待接收方确认应答。如果S发来确认应答，则认为可以进行数据通信，否则，就不能进行通信。TCP规定：****SYN=1的报文段不能携带数据，但是要消耗掉一个序号：seq=x。这个时候C进入SYN-SENT(同步已发送)状态。第二次：S收到C请求后，如果同意建立连接，则向C返回确认信息：将SYN、ACK都置1，确认号为ack=seq+1(seq来自客户端)，并携带自己的初始化，同时用于认证的信息S。同理：SYN=1的报文段不能携带数据，但是要消耗掉一个序号：seq=y。这个时候S进入SYN-RCVD(同步已接收)状态。C收到S返回的确认信息后，进入ESTABLISHED(已建立连接)的状态，第三次：C收到S返回的确认信息后，向S再一次发送确认报文。ACK置为1，确认号ack=seq+1(seq来自S),自己的seq=x+1。TCP规定：ACK报文可以携带数据。但是，如果不携带数据，则不消耗序号，这时，下一数据报文段的序号仍是seq=x+1。服务器收到客户端返回的确认信息后，也进入ESTABLISHED(已建立连接)的状态，从功能角度去考虑前两次握手，从性能的角度去理解为什么需要第三次握手。有第三次，是考虑到一种错误情况：假设C发了一请求建立连接的报文，长时间未收到S的确认报文，则C会重发，这个时候S与之建立连接、完成数据通信、关闭了连接，这个时候C第一发出的请求建立连接的报文到达了S,S则会等待C发送数据，实际上C已经CLOSED了，S就一直在这等待，浪费资源，确切地说，应该是至少四次数据交互才能实现一个连接的彻底关闭。关闭连接，需要四个报文来指示关闭。TCP是全双工通信的，所以在一端发送数据完毕后，还具有接收另一端的数据的能力，这就所谓的半关闭。四次挥手举个例子：如果C的数据已经发送完毕，C是不能立即关闭的，因为建立连接的通信双方是平等的。C首先告诉S：“数据发送完毕“，这个消息在TCP报文的首部由FIN来标识，让S知道C是准备断开连接了。这是第一次挥手。S收到C发来的FIN标识的报文后，要给C端恢复一个确认FIN的消息，告诉C说，知道你的数据发完了。这是第二次挥手。这个时候，如果S端的数据也发送完毕了，就给C发一个FIN=1报文。这是第三次挥手。C收到S发来的FIN标识的报文后，要给S端恢复一个确认FIN的消息，告诉C说，知道你的数据发完了。这是第四次挥手。然后就彻底断开连接了。TCP的状态变迁图

目录：以前我也认为TCP是相当底层的东西，我永远不需要去了解它。虽然差不多是这样，但是实际生活中，你依然可能遇见和TCP算法相关的bug，这时候懂一些TCP的知识就至关重要了。（本文也可以引申为，系统调用，操作系统这些都很重要，这个道理适用于很多东西）这里推荐一篇小短文， 人人都应该懂点TCP使用TCP协议通信的双方必须先建立TCP连接，并在内核中为该连接维持一些必要的数据结构，比如连接的状态、读写缓冲区、定时器等。当通信结束时，双方必须关闭连接以释放这些内核数据。TCP服务基于流，源源不断从一端流向另一端，发送端可以逐字节写入，接收端可以逐字节读出，无需分段。需要注意的几点：TCP状态（11种）：eg.以上为TCP三次握手的状态变迁以下为TCP四次挥手的状态变迁服务器通过 listen 系统调用进入LISTEN状态，被动等待客户端连接，也就是所谓的被动打开。一旦监听到SYN（同步报文段）请求，就将该连接放入内核的等待队列，并向客户端发送带SYN的ACK（确认报文段），此时该连接处于SYN_RECVD状态。如果服务器收到客户端返回的ACK，则转到ESTABLISHED状态。这个状态就是连接双方能进行全双工数据传输的状态。而当客户端主动关闭连接时，服务器收到FIN报文，通过返回ACK使连接进入CLOSE_WAIT状态。此状态表示——等待服务器应用程序关闭连接。通常，服务器检测到客户端关闭连接之后，也会立即给客户端发送一个FIN来关闭连接，使连接转移到LAST_ACK状态，等待客户端对最后一个FIN结束报文段的最后一次确认，一旦确认完成，连接就彻底关闭了。客户端通过 connect 系统调用主动与服务器建立连接。此系统调用会首先给服务器发一个SYN，使连接进入SYN_SENT状态。connect 调用可能因为两种原因失败：1. 目标端口不存在（未被任何进程监听）护着该端口被TIME_WAIT状态的连接占用（ 详见后文 ）。2. 连接超时，在超时时间内未收到服务器的ACK。如果 connect 调用失败，则连接返回初始的CLOSED状态，如果调用成功，则转到ESTABLISHED状态。客户端执行主动关闭时，它会向服务器发送一个FIN，连接进入TIME_WAIT_1状态，如果收到服务器的ACK，进入TIME_WAIT_2状态。此时服务器处于CLOSE_WAIT状态，这一对状态是可能发生办关闭的状态（详见后文）。此时如果服务器发送FIN关闭连接，则客户端会发送ACK进行确认并进入TIME_WAIT状态。流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。TCP 主要通过四种算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。在Linux下有多种实现，比如reno算法，vegas算法和cubic算法等。发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。为了便于讨论，做如下假设：发送的最初执行慢开始，令 cwnd=1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 ...注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd/2，然后重新执行慢开始。在接收方，要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2，此时收到 M4，应当发送对 M2 的确认。在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd/2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。发送端的每个TCP报文都必须得到接收方的应答，才算传输成功。TCP为每个TCP报文段都维护一个重传定时器。发送端在发出一个TCP报文段之后就启动定时器，如果在定时时间类未收到应答，它就将重发该报文段并重置定时器。因为TCP报文段最终在网络层是以IP数据报的形式发送，而IP数据报到达接收端可能是乱序或者重复的。TCP协议会对收到的TCP报文进行重排、整理，确保顺序正确。TCP报文段所携带的应用程序数据按照长度分为两种：交互数据和成块数据对于什么是粘包、拆包问题，我想先举两个简单的应用场景：对于第一种情况，服务端的处理流程可以是这样的：当客户端与服务端的连接建立成功之后，服务端不断读取客户端发送过来的数据，当客户端与服务端连接断开之后，服务端知道已经读完了一条消息，然后进行解码和后续处理...。对于第二种情况，如果按照上面相同的处理逻辑来处理，那就有问题了，我们来看看第二种情况下客户端发送的两条消息递交到服务端有可能出现的情况：第一种情况：服务端一共读到两个数据包，第一个包包含客户端发出的第一条消息的完整信息，第二个包包含客户端发出的第二条消息，那这种情况比较好处理，服务器只需要简单的从网络缓冲区去读就好了，第一次读到第一条消息的完整信息，消费完再从网络缓冲区将第二条完整消息读出来消费。第二种情况：服务端一共就读到一个数据包，这个数据包包含客户端发出的两条消息的完整信息，这个时候基于之前逻辑实现的服务端就蒙了，因为服务端不知道第一条消息从哪儿结束和第二条消息从哪儿开始，这种情况其实是发生了TCP粘包。第三种情况：服务端一共收到了两个数据包，第一个数据包只包含了第一条消息的一部分，第一条消息的后半部分和第二条消息都在第二个数据包中，或者是第一个数据包包含了第一条消息的完整信息和第二条消息的一部分信息，第二个数据包包含了第二条消息的剩下部分，这种情况其实是发送了TCP拆，因为发生了一条消息被拆分在两个包里面发送了，同样上面的服务器逻辑对于这种情况是不好处理的。我们知道tcp是以流动的方式传输数据，传输的最小单位为一个报文段（segment）。tcp Header中有个Options标识位，常见的标识为mss(Maximum Segment Size)指的是，连接层每次传输的数据有个最大限制MTU(Maximum Transmission Unit)，一般是1500比特，超过这个量要分成多个报文段，mss则是这个最大限制减去TCP的header，光是要传输的数据的大小，一般为1460比特。换算成字节，也就是180多字节。tcp为提高性能，发送端会将需要发送的数据发送到缓冲区，等待缓冲区满了之后，再将缓冲中的数据发送到接收方。同理，接收方也有缓冲区这样的机制，来接收数据。发生TCP粘包、拆包主要是由于下面一些原因：既然知道了tcp是无界的数据流，且协议本身无法避免粘包，拆包的发生，那我们只能在应用层数据协议上，加以控制。通常在制定传输数据时，可以使用如下方法：写了一个简单的 golang 版的tcp服务器实例，仅供参考：例子参考和推荐阅读书目：注释：eg.

TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于IP的传输层协议，由IETF的RFC 793说明（specified）。TCP在IP报文的协议号是6。
TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于IP的传输层协议。
传输控制协议）是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于IP的传输层协议，由IETF的RFC 793说明（specified）。TCP在IP报文的协议号是6。 中文名：传输控制协议外文名：Transmission Control Protocol 特性：可靠传输

首部固定部分各字段的意义如下： 源端口和目的端口：各占2个字节，分别写入源端口号和目的端口号。序号：占4个字节。序号使用mod运算。TCP是面向字节流的，在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号。故该字段也叫做“报文段序号”。确认序号：占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认序号=N,则表明：到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。数据偏移：占4位，表示TCP报文段的首部长度。注意，“数据偏移”的单位是32位字（即以4字节长的字为计算单位）。故TCP首部的最大长度为60字节。保留：占6位，保留为今后使用，目前置为0；紧急URG：当URG=1，表明紧急指针字段有效。这时发送方TCP就把紧急数据插入到本报文段数据的最前面，而在紧急数据后面的数据仍是普通数据。确认ACK：当ACK=1时，确认字段才有效。当ACK=0时，确认号无效。TCP规定，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置1。推送PSH：接收方TCP收到PSH=1的报文段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满了后再向上交付。复位RST：当RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立运输连接。同步SYN：在连接建立时用来同步序号。当SYN=1而ACK=0时，表明这是一个连接请求报文段。对方若同意建立连接，则应在响应的报文段中使SYN=1和ACK=1。故SYN置为1，就表示这是一个连接请求和连接接收报文。终止FIN：用来释放连接。当FIN=1时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。窗口：占2个字节。窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。检验和：占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数据这两部分。和UDP数据报一样，在计算检验和时，也要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部。伪首部的格式与UDP用户数据报的伪首部一样，但要将伪首部第四个字段中的17 改为6（协议号），把第5字段中的UDP长度改为TCP长度。 紧急指针：占2字节。紧急指针仅在URG=1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数。