TCP 头部字段详解

逐字段拆解 TCP 头部的 20 字节，理解每个比特的含义。

1. TCP 头部全景

TCP 头部通常 20 字节（无选项），最大 60 字节。以下是 RFC 9293 定义的标准头部格式：

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          源端口 (16)          |         目的端口 (16)          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        序列号 (32)                            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       确认号 (32)                             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |数据偏移| 保留  |C|E|U|A|P|R|S|F|       窗口大小 (16)          |
   |  (4)  |  (4)  |W|C|R|C|S|S|Y|I|                              |
   |       |       |R|E|G|K|H|T|N|N|                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           校验和 (16)         |        紧急指针 (16)           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    选项 (可变, 0-40字节)                       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2. 字段逐一详解

2.1 源端口（Source Port）— 16 位

发送方的端口号。配合源 IP 地址，标识发送方应用程序。

范围：0-65535。0-1023 为知名端口（Well-known Ports，需特权），1024-49151 为注册端口，49152-65535 为动态/私有端口。

2.2 目的端口（Destination Port）— 16 位

接收方的端口号。配合目的 IP 地址，标识接收方应用程序。

常见目的端口举例：

端口	服务
80	HTTP
443	HTTPS
22	SSH
3306	MySQL
6379	Redis

2.3 序列号（Sequence Number）— 32 位

核心作用：标识本报文段中第一个数据字节的序列号。

范围：0 ~ 2^32-1（约 4.3 GB）
当 SYN=1 时，此字段为初始序列号（ISN），第一个数据字节的序列号为 ISN+1
序列号循环使用，比较使用模 2^32 运算

RFC 9293: "A fundamental notion in the design is that every octet of data sent over a TCP connection has a sequence number."

2.4 确认号（Acknowledgment Number）— 32 位

仅在 ACK 标志为 1 时有效。表示期望收到的下一个字节的序列号。采用累积确认——确认号 N 意味着 N-1 及之前的所有字节都已成功接收。

连接建立后，ACK 标志必须始终设置（几乎所有 TCP 段都带 ACK）。

2.5 数据偏移（Data Offset）— 4 位

TCP 头部的长度，以 32 位字（4 字节） 为单位。

最小值：5（即 5×4 = 20 字节，标准无选项头部）
最大值：15（即 15×4 = 60 字节，含最长选项）
该字段实际上指向数据从哪里开始

2.6 保留位（Reserved）— 4 位

保留供将来使用。RFC 9293 规定必须设置为 0。历史上这些位未被使用，但未来可能被分配。

2.7 控制位（Control Bits）— 8 位

这是 TCP 头部中最常被考察的部分。RFC 9293 定义了 8 个控制位（相比 RFC 793 原来的 6 个，增加了 CWR 和 ECE）：

位:    7      6      5      4      3      2      1      0
    +------+------+------+------+------+------+------+------+
    | CWR  | ECE  | URG  | ACK  | PSH  | RST  | SYN  | FIN  |
    +------+------+------+------+------+------+------+------+

各控制位作用

位	名称	全称	作用	何时设置
7	CWR	Congestion Window Reduced	发送方降低了拥塞窗口	ECN 拥塞响应
6	ECE	ECN-Echo	ECN 回显，通知对端网络拥塞	收到 CE 标记的 IP 包
5	URG	Urgent	紧急指针字段有效	有紧急数据时
4	ACK	Acknowledgment	确认号字段有效	几乎所有段（除第一个 SYN）
3	PSH	Push	提示接收方尽快将数据交给应用	应用层要求立即推送
2	RST	Reset	重置连接	异常关闭、拒绝连接
1	SYN	Synchronize	发起连接，同步序列号	连接建立（三次握手前两步）
0	FIN	Finish	发送方完成数据发送	连接关闭

重点记忆组合

组合	含义
SYN=1, ACK=0	连接请求（三次握手第一步）
SYN=1, ACK=1	连接请求确认（三次握手第二步）
FIN=1, ACK=1	连接释放请求
RST=1	连接重置
PSH=1	催促接收方尽快上交数据

2.8 窗口大小（Window）— 16 位

接收窗口大小。表示发送该段的 TCP 端点还可以接收多少字节（从确认号指示的位置开始）。

范围：0 ~ 65535 字节
可通过窗口缩放选项（WS） 扩展到最大约 1 GB（2^30 字节）
值为 0 表示"暂停发送"

窗口大小是流量控制的核心参数。

2.9 校验和（Checksum）— 16 位

对整个 TCP 段（头部+数据）以及 12 字节的伪头部计算校验和。

伪头部包含：源 IP（4）、目的 IP（4）、协议号（1，TCP=6）、TCP 长度（2）+ 1 字节填充。

校验和采用 16 位反码求和 算法。接收方验证失败则静默丢弃该段。

2.10 紧急指针（Urgent Pointer）— 16 位

仅在 URG=1 时有效。指向紧急数据的最后一个字节的偏移量（相对序列号）。该值 + 序列号 = 紧急数据末尾。

实际应用中紧急指针很少使用。建议使用其他带外信令方式。

3. TCP 选项（Options）

长度可变，最大 40 字节（TCP 头部最长 60 字节，固定部分 20 字节）。选项以 8 位边界结束。

3.1 必选选项（RFC 9293 强制要求）

Kind	名称	长度	说明
0	EOL (End of Option List)	1	标记选项列表结束
1	NOP (No-Operation)	1	无操作，用于对齐填充
2	MSS (Maximum Segment Size)	4	最大段大小协商

3.2 常用可选选项

Kind	名称	RFC	说明
3	WS (Window Scale)	7323	窗口缩放，左移 0-14 位
4	SACK-Permitted	2018	声明支持选择性确认
5	SACK	2018	选择性确认的具体块信息
8	TS (Timestamp)	7323	时间戳，用于 RTT 测量和 PAWS

4. Wireshark 中的 TCP 头部

在 Wireshark 中抓包可以看到典型的 TCP 头部：

Transmission Control Protocol, Src Port: 54321, Dst Port: 443, Seq: 1, Ack: 1, Len: 0
    Source Port: 54321
    Destination Port: 443
    [Stream index: 5]
    [Conversation completeness: Complete, WITH_DATA (31)]
    Sequence Number: 1 (relative sequence number)
    Acknowledgment Number: 1 (relative ack number)
    1000 .... = Header Length: 32 bytes (8)
    Flags: 0x018 (PSH, ACK)
    Window: 65535
    Checksum: 0x1234 [unverified]
    Urgent Pointer: 0
    Options: (12 bytes), No-Operation (NOP), No-Operation (NOP), Timestamps

Wireshark 默认显示相对序列号（方便阅读），可以用右键切换为绝对序列号。

本篇要点

TCP 头部固定 20 字节，最大 60 字节（数据偏移字段 4 位，最大值 15×4=60）
序列号标识段中第一个数据字节的编号；确认号表示期望收到的下一个字节编号（累积确认）
8 个控制位：CWR、ECE（ECN 拥塞相关）、URG（紧急）、ACK（确认号有效）、PSH（推送）、RST（重置）、SYN（同步）、FIN（结束）
窗口大小 16 位（最大 64KB），通过窗口缩放选项可扩展到约 1GB
校验和覆盖范围：伪头部 + TCP 头部 + TCP 数据
MSS 选项仅在 SYN 段中发送，以太网环境下通常为 1460 字节
SYN 和 FIN 各消耗一个序列号，纯 ACK 不消耗序列号