TCP報文格式

TCP協議有著自己的數據包格式，這里把TCP的數據包稱為報文段（segment），TCP報文段封裝在IP數據報中發送，TCP報文段由TCP首部和TCP數據區組成，首部區域包含了連接建立與斷開、數據確認、窗口大小通告、數據發送相關的所有標志和控制信息。如下圖：

首部的大小為20~60字節，在沒有任何選項的情況下，首部大小為20字節，與不含選項字段的IP報首部大小相同。TCP報文中的數據部分可以為空，例如在一個連接建立或斷開時，雙方交換的報文段僅有TCP首部；又如當一方沒有任何數據需要發送，則它需要使用不包含任何數據的報文段來發送確認信息。

1、源端口號和目的端口號兩個字段用于標識發送端和接收端應用進程分別綁定的端口號。這兩個值加上IP數據報首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一確定一個TCP連接

2、32位序號字段標識了從TCP發送端到TCP接收端的數據字節編號，它的值為當前報文段中第一個數據的字節序號。在接收方，先計算出數據區數據的長度，然后使用首部中的序號字段，就能計算出報文最后一個字節數據的序號。當建立一個新連接時，握手報文首部中的SYN標志置1，此時，序號字段包含由發送方隨機選擇的初始序號ISN（Initial Sequence Number）。建立連接的報文（SYN）將占用一個數據編號，因此發送方隨后將要發送數據的第一個字節序號為ISN+1

3、32位確認序號只有ACK標志為1時才有效，它包含了本機所期望收到的下一個數據序號，確認常常和反向數據一起捎帶發送

4、4位首部長度指出了TCP首部的長度，以4字節為單位。需要這個值是因為選項字段的長度是可變的。由于這個字段有4bit，因此TCP最多有60字節的首部，如果沒有任何選項字段，首部長度應該為5（20字節）

5、在TCP首部中有6個標志bit，它們中的多個可同時被設置為1，它們告訴了接收端應該如何解釋報文的內容，比如一些報文段攜帶了確認信息、一些報文段攜帶了緊急數據、一些報文包含建立或關閉連接的請求。6個標志位的意義如下圖：

6、窗口大小字段可看作捎帶的另一個例子，窗口通告可以附加在任何報文段中發送。在TCP發送一個報文時，可在窗口字段中填寫相應值以通知對方自己的可用緩沖區大?。ㄒ宰止潪閱挝唬瑘笪慕邮辗叫枰鶕@個值來調整發送窗口的大小。這個字段是16bit的，所以通告窗口的最大值為65535字節。窗口字段是實現流量控制的關鍵字段，當接收方向發送方通知一個大小為0的窗口時，將完全阻止發送方的數據發送

7、16位的緊急指針只有當緊急標志位URG置位時才有效，此時報文中包含了緊急數據，緊急數據始終放在報文段數據開始的地方，而緊急指針定義出了緊急數據在數據區中的結束處，用這個值加上序號字段值就得到了最后一個緊急數據的序號

構造TCP報文段

接下來，我們使用結構體來定義TCP報文，該結構體定義在level-ip的include/tcp.h文件中：

struct tcphdr {uint16_t sport;uint16_t dport;uint32_t seq;uint32_t ack_seq;uint8_t rsvd ： 4;uint8_t hl ： 4;uint8_t fin ： 1，syn ： 1，rst ： 1，psh ： 1，ack ： 1，urg ： 1，ece ： 1，cwr ： 1;uint16_t win;uint16_t csum;uint16_t urp;uint8_t data［］;} __attribute__（（packed））;

這個結構體的成員變量，與我們剛才介紹的TCP報文格式的每個字段是一一對應的，這里不再重復解析。

tcp報文發送接口

tcp數據的發送接口tcp_transmit_skb，會在tcp建立可靠連接和數據發送時被多次調用，如三次握手、write（）、read（）等。在level-ip中，該接口函數保存在src cp_output.c文件中。如下圖：

static int tcp_transmit_skb（struct sock *sk， struct sk_buff *skb， uint32_t seq）{struct tcp_sock *tsk = tcp_sk（sk）;struct tcb *tcb = &tsk-》tcb;struct tcphdr *thdr = tcp_hdr（skb）;/* No options were previously set */if （thdr-》hl == 0） thdr-》hl = TCP_DOFFSET;skb_push（skb， thdr-》hl * 4）;thdr-》sport = sk-》sport;thdr-》dport = sk-》dport;thdr-》seq = seq;thdr-》ack_seq = tcb-》rcv_nxt;thdr-》rsvd = 0;thdr-》win = tcb-》rcv_wnd;thdr-》csum = 0;thdr-》urp = 0;if （thdr-》hl 》 5） {tcp_write_options（tsk， thdr）;}tcp_out_dbg（thdr， sk， skb）;thdr-》sport = htons（thdr-》sport）;thdr-》dport = htons（thdr-》dport）;thdr-》seq = htonl（thdr-》seq）;thdr-》ack_seq = htonl（thdr-》ack_seq）;thdr-》win = htons（thdr-》win）;thdr-》csum = htons（thdr-》csum）;thdr-》urp = htons（thdr-》urp）;thdr-》csum = tcp_v4_checksum（skb， htonl（sk-》saddr）， htonl（sk-》daddr））;return ip_output（sk， skb）;}

第12行：設置源端口號

第13行：設置目標端口號

第14行：自己發送的數據的起始序號

第15行：通知對方期望接收的下一字節的序號

在IP協議中，會對每個數據報進行編號，而在TCP中沒有報文編號的概念，因為它的目標是數據流傳輸，數據流由連續的字節流組成，盡管在上層可能用各種各樣的數據結構和格式來描述數據，但在TCP看來，數據都是字節流。TCP把一個連接中的所有數據字節都進行了編號，當然兩個方向上的編號是彼此獨立的，編號的初始值由發送數據的一方隨機選取，編號取值是0~2^32-1，比如發送方選擇的起始編號為20，且將要發送的數據長度為800字節，那么字節編號將覆蓋20到819的范圍。當所有字節被編上號后，字節流會被分裝在若干個TCP報文中發送，此時TCP報文首部的字段能夠記錄它所運載數據的起始編號以及運載數據的長度。在接收端，可以根據這些信息對報文中數據進行排序和確認。例如，將上述的800字節放在三個報文段中來發送，前兩個報文段各裝載了300字節的數據，最后一個報文裝載了200字節的數據，則三個報文段攜帶的數據情況如下：

報文段1：起始序號：20，數據長度：300，序號范圍：20~319

報文段2：起始序號：320，數據長度：300，序號范圍：320~619

報文段3：起始序號：620，數據長度：200，序號范圍：620~819

接收方通過確認的機制來告訴發送方數據的接收狀況，這是通過向發送方返回一個確認號來完成的，確認號標識出自己期望接收到的下一個字節的編號，例如在上面的例子中，如果接收方接收到了報文段1，則它返回給發送方的確認號為320，表示自己期望收到數據編號為320的數據；確認號是累計的，即如果發送方接收到確認號的值為620，說明接收方已經正確接收了620編號以前的所有數據，接收方可能是在收到兩個報文段后才發送的一個確認；還有一種情況，如果接收方只收到報文段1和3，那么它返回的確認號仍然是320，確認號始終表示接收方期望的下一字節數據，盡管可能已有更高編號的數據被收到

第16行：保留位

第17行：設置滑動窗口大小

在數據發送端，所有數據流按照順序被組織在發送緩存中，什么時候發送數據以及發送的多少是由滑動窗口決定的，使用窗口滑動的概念可以達到很好的流量控制效果和擁塞控制效果。如下圖所示，滑動窗口可以看成定義在數據緩沖上的一個窗口，緩沖中存放了從應用程序傳遞過來的待發送數據，窗口能在緩沖上滑動，滑動窗口狀態決定了TCP能發送哪些數據。滑動窗口較大時， TCP可以在收到確認之前一次性地發送幾個報文段，這樣，可以使得網絡總是處于忙碌狀態，提高網絡的吞吐率。當發送窗口較小時，能夠被發送的報文很少，在極端情況下，當發送窗口為0時，沒有任何報文能被發送，減少報文的發送是進行擁塞控制的最直接手段。因此，流量控制和擁塞控制的本質在于對發送窗口的合理調節

第18行：校驗和設置為0

第19行：緊急指針設置為0，

TCP采用了緩沖機制來保證協議的高效性，在數據發送時，TCP內核將延遲小分組數據的交付，它將等待足夠長的時間，以期待接收更多的應用數據，最后再一起發送；在接收數據時，TCP首先是先將數據放在接收緩沖中，只有在應用程序準備就緒或者TCP協議認為時機恰當的時候，數據才會被交付給應用程序。上述緩沖機制是出于對網絡性能提升的考慮，但是它可能會妨礙某些應用程序的使用。例如，兩個應用程序進行交互式通信，一端應用程序打算把用戶鍵入的字符發送給另一端應用程序，并且期望對方立即響應。在這種情況下，TCP的數據收集與延遲發送、緩沖遞交會給用戶帶來很不好的體驗。為了滿足交互式應用場合的需求，TCP可以采用下面的方式解決這個問題。發送方應用程序向TCP傳遞數據時，請求推送（push）操作，這時，TCP協議不會等待發送緩沖區被填滿，而是直接將報文發送出去。同時，被推送出去的報文首部中推送位（PSH）將被置1，接收端在收到這類報文時，會盡快將數據遞交給應用程序，而不必緩沖更多的數據再遞交

tcp接收接口

tcp數據接收接口為tcp_in（）函數。該函數在ip數據幀讀取接口ip_rcv（）函數中調用。該函數保存在srcip_input.c文件中，我們來了解一下這個函數，如下圖：

void tcp_in（struct sk_buff *skb）{struct sock *sk;struct iphdr *iph;struct tcphdr *th;iph = ip_hdr（skb）;th = （struct tcphdr*） iph-》data;tcp_init_segment（th， iph， skb）;sk = inet_lookup（skb， th-》sport， th-》dport）;if （sk == NULL） {print_err（“No TCP socket for sport %d dport %d ”，th-》sport， th-》dport）;free_skb（skb）;return;}socket_wr_acquire（sk-》sock）;tcp_in_dbg（th， sk， skb）;/* if （tcp_checksum（iph， th） ！= 0） { *//* goto discard; *//* } */tcp_input_state（sk， th， skb）;socket_release（sk-》sock）;}

第7行：從sk_buff中讀取ip首部信息

第8行：從ip數據包的data區域中讀取tcp數據信息

第10行：進行關鍵字段的大小端變換和計算應答序號等

第12行：根據通信端口，查找管理該次tcp連接的結構體sock

第20行：獲取該結構體的讀寫鎖

第26行：數據遞交給tcp_input_state（）函數處理，該函數會進行tcp通信狀態的變化，以及獲取把整理好的有序報文遞交給應用程序。

總結

在對可靠性要求很高的場合下，使用TCP提供的傳輸性能是很合適的，TCP將兩個進程間傳遞的數據看作數據流的形式，兩個先后發出的TCP報文雖然在網絡中也是互不相關的傳輸，但是它們攜帶的數據之間卻具有關聯關系，因為TCP給傳輸的每個字節數據一個唯一的編號。在接收端，所有數據將按照編號被順序組織起來，當所有數據接收成功后，TCP才把數據遞交給應用層。應用層不必擔心報文的亂序、重復、丟失等問題，TCP采用正面確認以及超時重傳等機制保證數據流能全部正確到達。

但是，我們這篇文章還沒涉及到這部分的內容，但是我們已經找到分析的突破口，那就是上面所提到的tcp_input_state（）函數，以后我們將在該函數里面剖析tcp種種可靠性機制。

原文標題：level-ip之tcp數據包接口封裝

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責任編輯：haq