《Linux高性能服务器编程》深入解析：3.2TCP报头结构与功能

3.2　TCP头部结构

TCP头部信息出现在每个TCP报文段中&＃xff0c;用于指定通信的源端端口&＃xff0c;目的端端口&＃xff0c;管理TCP连接等&＃xff0c;本节详细介绍TCP的头部结构&＃xff0c;包括固定头部结构和头部选项。

3.2.1　TCP固定头部结构

TCP头部结构如图3-3所示&＃xff0c;其中的诸多字段为管理TCP连接和控制数据流提供了足够的信息。

16位端口号&＃xff08;port number&＃xff09;&＃xff1a;告知主机该报文段是来自哪里&＃xff08;源端口&＃xff09;以及传给哪个上层协议或应用程序&＃xff08;目的端口&＃xff09;的。进行TCP通信时&＃xff0c;客户端通常使用系统自动选择的临时端口号&＃xff0c;而服务器则使用知名服务端口号。1.3节中提到过&＃xff0c;所有知名服务使用的端口号都定义在/etc/services文件中。

32位序号&＃xff08;sequence number&＃xff09;&＃xff1a;一次TCP通信&＃xff08;从TCP连接建立到断开&＃xff09;过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机A和主机B进行TCP通信&＃xff0c;A发送给B的第一个TCP报文段中&＃xff0c;序号值被系统初始化为某个随机值ISN&＃xff08;Initial Sequence Number&＃xff0c;初始序号值&＃xff09;。那么在该传输方向上&＃xff08;从A到B&＃xff09;&＃xff0c;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的偏移。例如&＃xff0c;某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025&＃xff5e;2048字节&＃xff0c;那么该报文段的序号值就是ISN&＃43;1025。另外一个传输方向&＃xff08;从B到A&＃xff09;的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。

32位确认号&＃xff08;acknowledgement number&＃xff09;&＃xff1a;用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。假设主机A和主机B进行TCP通信&＃xff0c;那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号&＃xff0c;而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之&＃xff0c;B发送出的TCP报文段也同时携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认号。

4位头部长度&＃xff08;header length&＃xff09;&＃xff1a;标识该TCP头部有多少个32bit字&＃xff08;4字节&＃xff09;。因为4位最大能表示15&＃xff0c;所以TCP头部最长是60字节。

6位标志位包含如下几项&＃xff1a;

16位窗口大小&＃xff08;window size&＃xff09;&＃xff1a;是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口&＃xff0c;指的是接收通告窗口&＃xff08;Receiver Window&＃xff0c;RWND&＃xff09;。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据&＃xff0c;这样对方就可以控制发送数据的速度。

16位校验和&＃xff08;TCP checksum&＃xff09;&＃xff1a;由发送端填充&＃xff0c;接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意&＃xff0c;这个校验不仅包括TCP头部&＃xff0c;也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。

16位紧急指针&＃xff08;urgent pointer&＃xff09;&＃xff1a;是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。因此&＃xff0c;确切地说&＃xff0c;这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移&＃xff0c;不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。我们将在后面讨论TCP紧急数据。

3.2.2　TCP头部选项

TCP头部的最后一个选项字段&＃xff08;options&＃xff09;是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节&＃xff0c;因为TCP头部最长是60字节&＃xff08;其中还包含前面讨论的20字节的固定部分&＃xff09;。典型的TCP头部选项结构如图3-4所示。

选项的第一个字段kind说明选项的类型。有的TCP选项没有后面两个字段&＃xff0c;仅包含1字节的kind字段。第二个字段length&＃xff08;如果有的话&＃xff09;指定该选项的总长度&＃xff0c;该长度包括kind字段和length字段占据的2字节。第三个字段info&＃xff08;如果有的话&＃xff09;是选项的具体信息。常见的TCP选项有7种&＃xff0c;如图3-5所示。

kind&＃61;0是选项表结束选项。

kind&＃61;1是空操作&＃xff08;nop&＃xff09;选项&＃xff0c;没有特殊含义&＃xff0c;一般用于将TCP选项的总长度填充为4字节的整数倍。

kind&＃61;2是最大报文段长度选项。TCP连接初始化时&＃xff0c;通信双方使用该选项来协商最大报文段长度&＃xff08;Max Segment Size&＃xff0c;MSS&＃xff09;。TCP模块通常将MSS设置为&＃xff08;MTU-40&＃xff09;字节&＃xff08;减掉的这40字节包括20字节的TCP头部和20字节的IP头部&＃xff09;。这样携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU&＃xff08;假设TCP头部和IP头部都不包含选项字段&＃xff0c;并且这也是一般情况&＃xff09;&＃xff0c;从而避免本机发生IP分片。对以太网而言&＃xff0c;MSS值是1460&＃xff08;1500-40&＃xff09;字节。

kind&＃61;3是窗口扩大因子选项。TCP连接初始化时&＃xff0c;通信双方使用该选项来协商接收通告窗口的扩大因子。在TCP的头部中&＃xff0c;接收通告窗口大小是用16位表示的&＃xff0c;故最大为65?535字节&＃xff0c;但实际上TCP模块允许的接收通告窗口大小远不止这个数&＃xff08;为了提高TCP通信的吞吐量&＃xff09;。窗口扩大因子解决了这个问题。假设TCP头部中的接收通告窗口大小是N&＃xff0c;窗口扩大因子&＃xff08;移位数&＃xff09;是M&＃xff0c;那么TCP报文段的实际接收通告窗口大小是N乘2M&＃xff0c;或者说N左移M位。注意&＃xff0c;M的取值范围是0&＃xff5e;14。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling内核变量来启用或关闭窗口扩大因子选项。

和MSS选项一样&＃xff0c;窗口扩大因子选项只能出现在同步报文段中&＃xff0c;否则将被忽略。但同步报文段本身不执行窗口扩大操作&＃xff0c;即同步报文段头部的接收通告窗口大小就是该TCP报文段的实际接收通告窗口大小。当连接建立好之后&＃xff0c;每个数据传输方向的窗口扩大因子就固定不变了。关于窗口扩大因子选项的细节&＃xff0c;可参考标准文档RFC 1323。

kind&＃61;4是选择性确认&＃xff08;Selective Acknowledgment&＃xff0c;SACK&＃xff09;选项。TCP通信时&＃xff0c;如果某个TCP报文段丢失&＃xff0c;则TCP模块会重传最后被确认的TCP报文段后续的所有报文段&＃xff0c;这样原先已经正确传输的TCP报文段也可能重复发送&＃xff0c;从而降低了TCP性能。SACK技术正是为改善这种情况而产生的&＃xff0c;它使TCP模块只重新发送丢失的TCP报文段&＃xff0c;不用发送所有未被确认的TCP报文段。选择性确认选项用在连接初始化时&＃xff0c;表示是否支持SACK技术。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack内核变量来启用或关闭选择性确认选项。

kind&＃61;5是SACK实际工作的选项。该选项的参数告诉发送方本端已经收到并缓存的不连续的数据块&＃xff0c;从而让发送端可以据此检查并重发丢失的数据块。每个块边沿&＃xff08;edge of block&＃xff09;参数包含一个4字节的序号。其中块左边沿表示不连续块的第一个数据的序号&＃xff0c;而块右边沿则表示不连续块的最后一个数据的序号的下一个序号。这样一对参数&＃xff08;块左边沿和块右边沿&＃xff09;之间的数据是没有收到的。因为一个块信息占用8字节&＃xff0c;所以TCP头部选项中实际上最多可以包含4个这样的不连续数据块&＃xff08;考虑选项类型和长度占用的2字节&＃xff09;。

kind&＃61;8是时间戳选项。该选项提供了较为准确的计算通信双方之间的回路时间&＃xff08;Round Trip Time&＃xff0c;RTT&＃xff09;的方法&＃xff0c;从而为TCP流量控制提供重要信息。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps内核变量来启用或关闭时间戳选项。

3.2.3　使用tcpdump观察TCP头部信息

在2.3节中&＃xff0c;我们利用tcpdump抓取了一个数据包并分析了其中的IP头部信息&＃xff0c;本节分析其中与TCP协议相关的部分&＃xff08;后面的分析中&＃xff0c;我们将所有tcpdump抓取到的数据包都称为TCP报文段&＃xff0c;因为TCP报文段既是数据包的主要内容&＃xff0c;也是我们主要讨论的对象&＃xff09;。为了方便阅读&＃xff0c;先将该TCP报文段的内容复制于代码清单3-1中。

tcpdump输出Flags&＃xff3b;S&＃xff3d;&＃xff0c;表示该TCP报文段包含SYN标志&＃xff0c;因此它是一个同步报文段。如果TCP报文段包含其他标志&＃xff0c;则tcpdump也会将该标志的首字母显示在“Flags”后的方括号中。

seq是序号值。因为该同步报文段是从127.0.0.1.41621&＃xff08;客户端IP地址和端口号&＃xff09;到127.0.0.1.23&＃xff08;服务器IP地址和端口号&＃xff09;这个传输方向上的第一个TCP报文段&＃xff0c;所以这个序号值也就是此次通信过程中该传输方向的ISN值。并且&＃xff0c;因为这是整个通信过程中的第一个TCP报文段&＃xff0c;所以它没有针对对方发送来的TCP报文段的确认值&＃xff08;尚未收到任何对方发送来的TCP报文段&＃xff09;。
win是接收通告窗口的大小。因为这是一个同步报文段&＃xff0c;所以win值反映的是实际的接收通告窗口大小。

options是TCP选项&＃xff0c;其具体内容列在方括号中。mss是发送端&＃xff08;客户端&＃xff09;通告的最大报文段长度。通过ifconfig命令查看回路接口的MTU为16436字节&＃xff0c;因此可以预想到TCP报文段的MSS为16396&＃xff08;16436-40&＃xff09;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&＃xff0c;所以它针对对方的时间戳的应答为0&＃xff08;尚未收到对方的时间戳&＃xff09;。紧接着的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6。

接下来我们分析tcpdump输出的字节码中TCP头部对应的信息&＃xff0c;它从第21字节开始&＃xff0c;如表3-1所示。

从表3-1中可见&＃xff0c;TCP报文段头部的二进制码和tcpdump输出的TCP报文段描述信息完全对应。在后面的tcpdump输出中&＃xff0c;我们将省略大部分TCP头部信息&＃xff0c;仅显示序号、确认号、窗口大小以及标志位等与主题相关的字段。