考研笔记

TCP 的特点与 TCP 报文段

TCP 是在不可靠的 IP 层之上实现的可靠的数据传输协议，它主要解决传输的可靠、有序、无丢失和不重复问题。TCP 是 TCP/IP 体系中非常复杂的一个协议，后面的连接管理、可靠传输、流量控制和拥塞控制，全都要通过首部中的字段来实现。

真题考过首部各字段（2012）、序号和确认号的含义（2009、2016）以及首部最小长度（2021）。本页有两道错题：TCP 分割数据的单位（MSS），以及 32 位序号在高速链路上多久会用完。

机制

5.3.1 TCP 的特点

  1. TCP 是面向连接的传输层协议，TCP 连接是一条逻辑连接。
  2. 每一条 TCP 连接只能有两个端点，每一条 TCP 连接只能是一对一的。
  3. TCP 提供可靠交付的服务，保证传送的数据无差错、不丢失、不重复且有序。
  4. TCP 提供全双工通信，允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据，为此 TCP 连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。
    • 发送缓存用来暂时存放以下数据：①发送应用程序传送给发送方 TCP 准备发送的数据；②TCP 已发送但尚未收到确认的数据。
    • 接收缓存用来暂时存放以下数据：①按序到达但尚未被接收应用程序读取的数据；②不按序到达的数据。
  5. TCP 是面向字节流的，虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块（大小不等），但 TCP 把应用程序交下来的数据仅视为一连串的无结构的字节流。

TCP 和 UDP 在发送报文时所采用的方式完全不同。UDP 报文的长度由发送应用进程决定，而 TCP 报文的长度则根据接收方给出的窗口值和当前网络拥塞程度来决定。 若应用进程传送到 TCP 缓存的数据块太长，则 TCP 就把它划分得短一些再传送；若太短，则 TCP 也可等到积累足够多的字节后再构成报文段发送出去。

5.3.2 TCP 报文段

TCP 传送的数据单元称为报文段。TCP 报文段既可用来运载数据，又可用来建立连接、释放连接和应答。一个 TCP 报文段分为首部和数据两部分，整个 TCP 报文段作为 IP 数据报的数据部分封装在 IP 数据报中。其首部的前 20B 是固定的，TCP 首部最短为 20B，后面有 字节是根据需要而增加的选项，长度为 4B 的整数倍。

行（每行 32 位）字段（位数）
第 1 行源端口（16）· 目的端口（16）
第 2 行序号（32）
第 3 行确认号（32）
第 4 行数据偏移（4）· 保留（6）· URG · ACK · PSH · RST · SYN · FIN（各 1）· 窗口（16）
第 5 行检验和（16）· 紧急指针（16）
可变部分选项（长度可变）+ 填充

TCP 的全部功能体现在其首部的各个字段中，各字段意义如下（TCP 报文段首部中各字段的分析 2012 年考过）：

  1. 源端口和目的端口。各占 2B，分别表示发送方和接收方使用的端口号。
  2. 序号（TCP 首部中序号、确认号的含义 2009、2016 年考过）。占 4B，范围为 ，共 个序号。TCP 连接中传送的字节流中的每个字节都要按顺序编号，序号字段值指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。例如，一报文段的序号字段值是 301，而携带的数据共有 100B，表明本报文段的数据的最后一个字节的序号是 400，因此下一个报文段的数据序号应从 401 开始。
  3. 确认号。占 4B，是期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为 ，则表明到序号 为止的所有数据都已正确收到。例如，B 正确收到了 A 发送过来的一个报文段，其序号字段是 501，而数据长度是 200B（序号 501～700），这表明 B 正确收到了 A 发送的到序号 700 为止的数据。因此 B 期望收到 A 的下一个数据序号是 701，于是 B 在发送给 A 的确认报文段中把确认号置为 701。
  4. 数据偏移（首部长度，TCP 首部的最小长度 2021 年考过）。占 4 位，这里不是 IP 数据报分片的那个数据偏移，而是表示首部长度（首部中还有长度不确定的选项字段），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。“数据偏移”的单位是 32 位（以 4B 为计算单位）。因为 4 位二进制数能表示的最大值为 15，所以 TCP 首部的最大长度为 60B。
  5. 保留。占 6 位，保留为今后使用，但目前应置为 0。
  6. 紧急位 URG。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，应尽快传送（相当于高优先级的数据）。紧急数据被插入至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，因此要与首部中的紧急指针字段配合使用。
  7. 确认位 ACK。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，在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
  8. 推送位 PSH。两个应用进程进行交互式通信时，都希望在键入一个命令后立即就能收到对方的响应，此时发送方 TCP 把 PSH 置 1，接收方 TCP 收到 PSH=1 的报文段后，就尽快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。
  9. 复位位 RST。当 RST=1 时，表示 TCP 连接中出现严重差错（如主机崩溃等），必须释放连接，然后重新建立传输连接。此外，它还可用于拒绝一个非法的报文段。
  10. 同步位 SYN。当 SYN=1 时表示这是一个连接请求或连接接受报文。当 SYN=1，ACK=0 时，表明这是一个连接请求报文，若对方同意建立连接，则应在响应报文中使用 SYN=1，ACK=1（5.3.3）。
  11. 终止位 FIN。用来释放一个连接。当 FIN=1 时，表明此报文段的发送方的数据已发送完毕，并要求释放传输连接。
  12. 窗口。占 2B，范围为 。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发送的数据量（以字节为单位）。接收方的数据缓存空间是有限的，因此窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。例如，设确认号是 701，窗口字段是 1000，这表明从 701 号算起，发送此报文段的一方还有接收 1000 字节数据（字节序号为 701～1700）的接收缓存空间（5.3.5）。
  13. 检验和。占 2B。检验和字段检验的范围包括首部和数据两部分。计算检验和时，和 UDP 一样，要在 TCP 报文段的前面加上 12B 的伪首部（只需将 UDP 伪首部的协议字段的 17 改成 6，UDP 长度字段改成 TCP 长度，其他的和 UDP 一样，5.2.2）。
  14. 紧急指针。占 2B。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（紧急数据在报文段数据的最前面）。即使窗口为零，也可以发送紧急数据。
  15. 选项。长度可变，最长可达 40B。当不使用选项时，TCP 首部长度是 20B。TCP 最初只规定了一种选项，即最大报文段长度（Maximum Segment Size，MSS），它是 TCP 报文段中的数据字段的最大长度。之后又陆续增加了窗口扩大、时间戳等选项。
  16. 填充。这是为了使整个首部长度是 4B 的整数倍。

计算模板

序号与确认号

  1. 报文段序号为 ，携带 字节数据，则数据占序号 ，下一个报文段的序号为 。
  2. 对这个报文段的确认号为 （期望的下一个字节）。
  3. SYN 和 FIN 报文段即使不携带数据，也各消耗一个序号；不携带数据的纯 ACK 不消耗序号（5.3.3）。

序号绕回时间

序号字段 32 位，按字节编号，共 个序号。以速率 （字节/秒）发送，用完全部序号所需时间 。

边界

错题复盘：TCP 按 MSS 分割数据，重传也以 MSS 为单位

王道 5.3.7 第 12 题：当 TCP 在传送大量数据时，是以（ ）的大小将数据进行分割发送的，进行重发时同样也是以此为单位的（A. MSS　B. 字节　C. 比特　D. MTU）。答案 A。

MSS 是 TCP 报文段中数据字段的最大长度。TCP 传送大量数据时，把字节流按不超过 MSS 的大小切成报文段发送；超时重传的也是这样的报文段。

选 B 是把”序号按字节编号”与”数据按什么单位分割”混为一谈：TCP 给每个字节编号，但并不一个字节发一个报文段。选 D 是把两层的上限混了：MTU 是链路层帧的数据部分上限（3.6.2），限制的是整个 IP 数据报；MSS 是 TCP 这一层的上限，限制的是报文段的数据部分。以太网上 MSS 通常取 B，正是为了让报文段装进 IP 数据报后不必分片。

错题复盘：40Gb/s 下 TCP 的 32 位序号不到 1 秒就会绕回

王道 5.3.7 第 15 题：TCP 在 40Gb/s 的线路上传送数据，若 TCP 充分利用了线路的带宽，则经过（ ）的时间 TCP 会发生序号绕回（使用了之前用过的字节序号，已知 ）（A. 859ms　B. 85.9ms　C. 8.59ms　D. 0.859ms）。答案 A。

TCP 的序号是按字节编号的，共 个。40Gb/s B/s，用完所有序号的时间为 s ms。

题目给出的 0.859 已经是秒，换算成毫秒是 859ms；直接选 D 是漏了单位换算。题中已把比特换成了字节（），这一步若忘了，也会差 8 倍。

序号按字节编号，不按报文段编号。 序号字段是本报文段数据第一个字节的序号，确认号是期望收到的下一个字节的序号。

确认号有效需要 ACK=1。 连接建立后所有报文段的 ACK 都必须为 1；只有最初的 SYN 请求报文段 ACK=0。

数据偏移是首部长度，不是分片偏移。 单位 4B，与 IP 首部长度字段的单位相同，与 IP 片偏移（8B）无关（4.2.1）。

窗口字段是接收方给发送方的限制。 从确认号算起，单位是字节。

TCP 首部最短 20B，UDP 首部固定 8B。 TCP 首部有选项，所以最长 60B（2021）。

口径差异：窗口 16 位、保留 6 位、MSS 的取值

教材口径：窗口字段占 2B，最大 字节；保留 6 位，目前应置 0；MSS 是数据字段的最大长度。

标准口径：高速长距离链路上 64KB 的窗口远远不够，窗口扩大选项在建立连接时协商一个移位值，窗口最大可到约 1GB；时间戳选项同时用来防止上面错题中的序号绕回造成混淆。原来的 6 位保留位中，现已有 2 位用于显式拥塞通知（CWR、ECE）。MSS 由双方在 SYN 报文段中各自通告，常见值为以太网上的 1460B。

考试按教材口径作答。

对照速查

说法对错
TCP 连接可以是一对多的❌（只能一对一）
TCP 是面向报文的❌（面向字节流；UDP 面向报文）
TCP 报文长度由发送应用进程决定❌（由接收方窗口和网络拥塞程度决定）
TCP 首部最短 20B，最长 60B✅
序号字段是本报文段第一个数据字节的序号✅
确认号 表示序号 为止的数据都已收到❌（到 为止）
数据偏移以 4B 为单位✅
连接建立后所有报文段的 ACK 都置 1✅
窗口为 0 时不能发送任何数据❌（紧急数据可以）
MSS 是 TCP 报文段的最大长度（含首部）❌（只算数据字段）
TCP 检验和也要加 12B 伪首部✅（协议字段为 6）

考点

  • TCP 特点：面向连接、一对一、可靠、全双工（两端各有发送缓存和接收缓存）、面向字节流
  • 首部 20B 固定 + 选项，最长 60B（2021）
  • 序号（第一个字节）与确认号（期望的下一个字节）（2009、2016）
  • 六个标志位：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN（2012）
  • 窗口：从确认号算起、以字节为单位；检验和含伪首部
  • MSS：数据字段的最大长度

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