TCP Segment
TCP 报文段
TCP 为应用层提供面向连接、可靠、全双工的字节流服务。应用进程交给 TCP 的数据会先进入发送缓存，TCP 再按当前发送策略取出一段字节，加上 TCP 首部，形成 TCP 报文段。
TCP 报文段由两部分构成：
- TCP 首部：承载端口、序号、确认、窗口、标志位、检验和、选项等控制信息。
- 数据载荷：从 TCP 字节流中取出的若干字节。
TCP 的连接管理、可靠传输、流量控制和拥塞控制都依赖首部字段。先把首部字段读懂，才能读懂 TCP 的过程。
首部格式
TCP 首部最小 20 B，最大 60 B。前 20 B 是固定首部，后面最多 40 B 是选项和填充。
| 字段 | 长度 | 含义 |
|---|---|---|
| 源端口、目的端口 | 各 16 bit | 标识通信双方应用进程 |
序号 seq |
32 bit | 本报文段数据载荷第一个字节的序号 |
确认号 ack |
32 bit | 期望收到对方下一个字节的序号 |
| 数据偏移 | 4 bit | TCP 首部长度，单位是 4 B |
| 保留 | 6 bit | 保留，通常置 0 |
| 标志位 | 6 bit | URG ACK PSH RST SYN FIN |
| 窗口 | 16 bit | 发送本报文段一方的接收窗口大小 |
| 检验和 | 16 bit | 检查 TCP 首部、数据载荷和伪首部 |
| 紧急指针 | 16 bit | URG=1 时指出紧急数据长度 |
| 选项与填充 | 0-40 B | MSS、窗口扩大、时间戳、SACK 等 |
数据偏移字段以 4 B 为单位表示 TCP 首部长度：
$$
\text{TCP 首部长度}=\text{数据偏移字段值}\times 4\text{ B}
$$
固定首部 20 B，所以数据偏移最小为 0101，即 $5\times 4=20$ B。首部最大 60 B，所以数据偏移最大为 1111，即 $15\times 4=60$ B。
序号与确认号
TCP 是面向字节流的协议。序号字段不是“第几个报文段”，而是本报文段数据载荷中第一个字节的编号。
确认号 ack=n 表示：
- 序号
n-1及之前的所有字节都已正确收到。 - 接收方下一步期望收到序号
n开始的数据。
只有 ACK=1 时，确认号字段才有效。TCP 连接建立后，传送的报文段通常都把 ACK 置为 1。
例子：
- 客户端发送
seq=201、载荷 100 B 的报文段，说明本段数据覆盖字节201-300。 - 服务器确认号填
ack=301，说明201-300已收到，下一字节期望从301开始。 - 若服务器同时发送
seq=800、载荷 200 B 的数据，则这段数据覆盖字节800-999。 - 客户端对它的确认号应为
ack=1000。
关键标志位
TCP 首部中的 6 个传统标志位用于表达报文段的控制语义。
| 标志位 | 含义 |
|---|---|
URG |
紧急指针有效，载荷中有紧急数据 |
ACK |
确认号字段有效 |
PSH |
推送，要求尽快发送或尽快交付应用进程 |
RST |
复位连接，用于严重差错、拒绝非法报文段或拒绝连接 |
SYN |
同步序号，用于建立连接 |
FIN |
发送方数据发送完毕，请求释放连接 |
SYN 和 FIN 都会消耗一个序号，即使它们不携带数据。这个细节在连接建立和释放时非常重要：
SYN=1, seq=x后，下一次发送数据的第一个字节序号从x+1开始。FIN=1, seq=u后，对方确认应为ack=u+1。
窗口字段
窗口字段表示发送本报文段一方还能接收多少字节。它不是发送方想发多少，而是接收方通过报文段告诉对方“我还能收多少”。
例如，一个报文段中：
- 确认号
ack=800。 - 窗口
window=1000。
含义是：序号 800-1799 的数据可以继续发送。这个字段是 TCP 流量控制的基础。
检验和
TCP 检验和的计算方式与 UDP 类似，但伪首部中的协议号为 6。检验和计算输入包括：
- TCP 首部。
- TCP 数据载荷。
- 12 B 伪首部。
伪首部不属于真正发送的 TCP 首部。它只参与检验和计算，用来把源 IP、目的 IP 和协议号也纳入检查范围。
选项与 MSS
TCP 首部选项用于扩展 TCP 功能，常见选项包括 MSS、窗口扩大因子、时间戳和 SACK 许可。
MSS 是 Maximum Segment Size，表示 TCP 报文段中数据载荷部分的最大长度，不包括 TCP 首部，也不包括 IP 首部。
在典型以太网 MTU 为 1500 B，且不考虑 IP/TCP 选项时：
$$
\text{MSS}=1500-20-20=1460\text{ B}
$$
MSS 太小会让首部开销比例变大；MSS 太大可能导致 IP 分片。通常希望 MSS 尽可能大，但又不让封装后的 IP 数据报超过路径 MTU。
MSS 协商：在 TCP 连接建立的三报文握手阶段，双方各自在 SYN 报文段的选项字段中填入自己支持的 MSS 值。连接建立后，MSS 取双方提出的较小值。若一方未填写 MSS 选项，则默认 MSS = 536 B——这是 IPv4 要求每台主机都必须能接收的 IP 数据报最小重组缓冲区长度（576 B）减去 IP 首部（20 B）和 TCP 固定首部（20 B）后的值。
TCP 与 UDP 的数据单位差异
UDP 以报文为单位交付，TCP 以字节流为单位交付。TCP 不保证接收应用进程每次读到的数据块，与发送应用进程每次写入的数据块一一对应。
TCP 的可靠传输、流量控制和拥塞控制都是围绕字节序号与滑动窗口展开的，而不是围绕“第几个应用报文”展开。