为了实现可靠传输，TCP 采用了$面向字节流$的方式。

但 TCP 在发送数据时，是从发送缓存取出一部分或全部字节并给其添加一个首部使之成为 $\text{TCP}报文段$后进行发送。

• 一个 TCP 报文段由$首部$和$数据载荷$两部分构成;

• TCP 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。

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1、源端口/目的端口字段

源端口：占 $16$比特，写入源端口号，用来$标识发送该\text{TCP}报文段的应用进程$。

目的端口：占 $16$ 比特，写入目的端口号，用来$标识接收该\text{TCP}报文段的应用进程$。

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假设游览器进程要访问 Web 服务器的进程

为了简单起见：仅从运输层端口号这个角度来举例说明，而不考虑其他细节

• 例如：ARP，域名解析，TCP 建立连接等

当在游览器地址栏中输入 Web 服务器的域名后

游览器进程会构建一个有 HTTP 请求报文的 TCP 报文段

该报文段首部的源端口字段会填写一个短暂的端口号

• 例如：$49152$
• 用来标识发送该报文段的游览器进程

目的端口字段会填写熟知端口号 $80$

• 因为使用 HTTP 协议的 Web 服务器进程默认监听该端口

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Web 服务器收到该 HTTP 报文段后，从中解封出 HTTP 报文

• 并根据 TCP 报文段首部中目的端口字段的值 $80$，将 HTTP 请求报文上交给Web服务器进程。

Web 服务器进程根据 HTTP 请求报文的内容进行相应处理

• 并构建一个 HTTP 响应报文

HTTP 响应报文需要封装成 TCP 报文段进行发送

该报文段首部的源端口字段会填写熟知端口号 $80$

• 用来标识发送该报文段的游览器进程

目的端口字段会填写$49152$

• 这是主机中需要接收该 TCP 报文段的游览器进程所对应的端口号

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客户端收到该 HTTP 报文段后，从中解封出 HTTP 报文

• 并根据 TCP 报文段首部中目的端口字段的值 $49152$，将 HTTP 请求报文上交给游览器进程。

游览器进程对 HTTP 响应报文的内容进行解析并显示

2、与TCP实现可靠传输的序号字段、确认号字段、确认标志位字段ACK

2.1、序号字段(32 bit)

序号：占 $32$ 比特，取值范围 $[0,2^{32}-1]$，序号增加到最后一个后，下一个序号就又回到 $0$。

$指出本\text{TCP}报文段数据载荷的第一个字节的序号$。

数据载荷中的每个字节数据都有序号，如下所示

• 注意：它们使字节数据的序号而不是内容

对于上述，首部中序号字段的值：$166$

• 用来指出 TCP 报文段数据载荷的第一个字节的序号

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2.2、确认号字段(32 bit)&确认号标志位字段ACK(1 bit)

确认号：占 $32$ 比特，取值范围 $[0,2^{32}-1]$，确认号增加到最后一个后，下一个确认好就又回到 $0$。

$指出期望收到对方下一个\text{TCP}报文段的数据载荷的第一个字节的序号，同时也是对之前收到的所有数据的确认。$

• 即：若确认号 = $n$,则表明到序号 $n-1$ 为止的所有数据都已正确接收，期望接收序号为 $n$ 的数据。

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确认标志位 ACK：

• 取值为 $1$ 时确认号字段才有效;

• 取值为 $0$ 时确认号字段无效。

$\text{TCP}规定,在连接建立后所有传送的\text{TCP}报文段都必须把\text{ACK}置1$。

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2.3、三者的作用

TCP 客户进程发送一个 TCP 报文段

• 该报文段首部中序号字段的取值为：$201$

  这表示该 TCP 报文段数据载荷的第一个字节的序号为 $201$。

• 假设数据载荷的长度为：$100$ 字节

• 首部中确认号的取值为：$800$

  这表示 TCP 客户进程收到了 TCP 服务器进程发来的序号到 $799$ 的全部数据，现在希望收到序号从 $800$ 开始的数据

• 为了使确认号字段有效，首部中的确认标识位 ACK 的值必须设置为 $1$

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TCP 服务器进程收到该报文段后，也给 TCP 客户进程发送 TCP 报文段

• 该报文段首部中序号字段的取值为：$800$

  这表示该 TCP 报文段数据载荷的第一个字节的序号为 $800$。

  这正好与 TCP 客户进程的确认相匹配

• 假设数据载荷的长度为：$200$ 字节

• 首部中确认号的取值为：$301$

  这表示 TCP 服务器进程收到了 TCP 客户进程发来的序号到 $300$ 的全部数据，现在希望收到序号从 $301$ 开始的数据

• 为了使确认号字段有效，首部中的确认标识位 ACK 的值必须设置为 $1$

3、数据偏移字段(4 bit)

数据偏移：

• 占 $4$ 比特，并以 $4$ 字节为单位。

• $用来指出\text{TCP}报文段的数据载荷部分的起始处距离\text{TCP}报文段的起始处有多远$。

• 这个字段实际上是指出了 TCP 报文段的首部长度。

  • 首部固定长度为 $20$ 字节，因此数据偏移字段的最小值为 $(0101{)}_2$

  • 首部最大长度为 $60$ 字节，因此数据偏移字段的最大值为 $(1111{)}_2$

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4、保留字段(6 bit)

保留：占 $6$ 比特，保留为今后使用，但目前应置为 $0$。

5、窗口字段(16 bit)

窗口：占 $16$ 比特，以字节为单位。$指出发送本报文段的一方的接收窗口$。

• 窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。

• 这是以接收方的接收能力来控制发送方的发送能力,称为流量控制。

注意：发送窗口的大小还取决于拥塞窗口的大小

• 也就是应该从接收窗口和拥塞窗口中取小者

6、校验和(16 bit)

校验和：

• 占 $16$ 比特，检查范围包括 TCP 报文段的首部和数据载荷两部分。

• 与 UDP 类似，在计算校验和时，要在 TCP 报文段的前面加上 $12$ 字节的伪首部。

该检错算法与 TCP 的其他功能相比并不是重点

7、同步标志位 SYN (1 bit)

同步标志位 SYN :在 TCP 连接建立时用来同步序号。

例如：TCP 通过 “三报文握手” 建立连接的过程：TCP的连接建立

TCP 客户进程发送 TCP 连接请求报文段

• 首部中的同步标志位 SYN 被置 $1$

  表明这是一个 TCP 连接请求报文段

TCP 服务进程发送 TCP 连接请求确认报文段

• 首部中的同步标志位 SYN 被置 $1$ ，确认位 ACK 也被置 $1$

  表明这是一个 TCP 连接请求确认报文段

8、终止标志位 FIN(1 bit)

终止标志位 FIN ：用来释放 TCP 连接

例如：TCP 通过 “四报文挥手” 释放连接的过程

不管是 TCP 客户进程还是 TCP 服务器进程

• 它们所发送出的 TCP 连接释放报文段首部中的终止标志位 FIN 都被置 $1$

  表明这是 TCP 连接释放报文段

9、复位标志位 RST(1 bit)

复位标志位 RST ：

• 用来复位 TCP 连接。

• 当 $\text{RST=1}$ 时，表明 TCP 连接出现了异常，必须释放连接,然后再重新建立连接

• RST 置 $1$ 还用来拒绝一个非法的报文段或拒绝打开一个 TCP 连接。

10、推送标志位 PSH(1 bit)

推送标志位 PSH ：

• 接收方的 TCP 收到该标志位为 $1$ 的报文段$会尽快上交应用进程$，
• 而不必等到接收缓存都填满后再向上交付。

11、紧急标志位 URG(1 bit) & 紧急指针字段(16 bit)

首部中的紧急标志位 URG 和 紧急指针字段用来实现紧急操作

紧急标志位 URG：

• 取值为 $1$ 时紧急指针字段有效;
• 取值为 $0$ 时紧急指针字段无效。

紧急指针：占 $16$ 比特，以字节为单位，用来指明紧急数据的长度。

当发送方有紧急数据时，可将紧急数据插队到发送缓存的最前面，并立刻封装到一个 TCP 报文段中进行发送。

• 紧急指针会指出本报文段数据载荷部分包含了多长的紧急数据，紧急数据之后是普通数据。

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接收方接收到紧急标志位 URG 为 $1$ 的报文段

• 会按照紧急指针字段的值从报文段数据载荷部分取出紧急数据，并$直接上交应用进程$
• 而不必在接收缓存中排队

12、选项(长度可变)

TCP 报文段首部除了 $20$ 字节的固定部分，还有最大 $40$ 字节的选项部分

增加选项可以增加 TCP 的功能

• $最大报文段长度\text{MSS}选项$：TCP 报文段数据载荷部分的最大长度。

• $窗口扩大选项$：为了扩大窗口(提高吞吐率)。

• $时间戳选项$：

  • 用来计算往返时间 RTT

  • 用于处理序号超范围的情况，又称为防止序号绕回 PAWS。

• $选择确认选项$：用来实现选择确认功能

13、填充

填充:由于选项的长度可变，因此使用填充来$确保报文段首部能被4整除$

• (因为数据偏移字段，也就是首部长度字段，是以 $4$ 字节为单位的)。

若选项的长度加上 $20$ 字节固定首部的长度不能能被 $4$ 整除

• 则需要使用填充字段来确保首部能被 $4$ 整除

14、小结