如何解釋TCP報(bào)文的內(nèi)容

TCP報(bào)文格式

TCP協(xié)議有著自己的數(shù)據(jù)包格式，這里把TCP的數(shù)據(jù)包稱為報(bào)文段（segment），TCP報(bào)文段封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中發(fā)送，TCP報(bào)文段由TCP首部和TCP數(shù)據(jù)區(qū)組成，首部區(qū)域包含了連接建立與斷開、數(shù)據(jù)確認(rèn)、窗口大小通告、數(shù)據(jù)發(fā)送相關(guān)的所有標(biāo)志和控制信息。如下圖：

首部的大小為20~60字節(jié)，在沒有任何選項(xiàng)的情況下，首部大小為20字節(jié)，與不含選項(xiàng)字段的IP報(bào)首部大小相同。TCP報(bào)文中的數(shù)據(jù)部分可以為空，例如在一個(gè)連接建立或斷開時(shí)，雙方交換的報(bào)文段僅有TCP首部；又如當(dāng)一方?jīng)]有任何數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則它需要使用不包含任何數(shù)據(jù)的報(bào)文段來發(fā)送確認(rèn)信息。

1、源端口號(hào)和目的端口號(hào)兩個(gè)字段用于標(biāo)識(shí)發(fā)送端和接收端應(yīng)用進(jìn)程分別綁定的端口號(hào)。這兩個(gè)值加上IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中的源IP地址和目的IP地址就能唯一確定一個(gè)TCP連接

2、32位序號(hào)字段標(biāo)識(shí)了從TCP發(fā)送端到TCP接收端的數(shù)據(jù)字節(jié)編號(hào)，它的值為當(dāng)前報(bào)文段中第一個(gè)數(shù)據(jù)的字節(jié)序號(hào)。在接收方，先計(jì)算出數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，然后使用首部中的序號(hào)字段，就能計(jì)算出報(bào)文最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的序號(hào)。當(dāng)建立一個(gè)新連接時(shí)，握手報(bào)文首部中的SYN標(biāo)志置1，此時(shí)，序號(hào)字段包含由發(fā)送方隨機(jī)選擇的初始序號(hào)ISN（Initial Sequence Number）。建立連接的報(bào)文（SYN）將占用一個(gè)數(shù)據(jù)編號(hào)，因此發(fā)送方隨后將要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)序號(hào)為ISN+1

3、32位確認(rèn)序號(hào)只有ACK標(biāo)志為1時(shí)才有效，它包含了本機(jī)所期望收到的下一個(gè)數(shù)據(jù)序號(hào)，確認(rèn)常常和反向數(shù)據(jù)一起捎帶發(fā)送

4、4位首部長(zhǎng)度指出了TCP首部的長(zhǎng)度，以4字節(jié)為單位。需要這個(gè)值是因?yàn)檫x項(xiàng)字段的長(zhǎng)度是可變的。由于這個(gè)字段有4bit，因此TCP最多有60字節(jié)的首部，如果沒有任何選項(xiàng)字段，首部長(zhǎng)度應(yīng)該為5（20字節(jié)）

5、在TCP首部中有6個(gè)標(biāo)志bit，它們中的多個(gè)可同時(shí)被設(shè)置為1，它們告訴了接收端應(yīng)該如何解釋報(bào)文的內(nèi)容，比如一些報(bào)文段攜帶了確認(rèn)信息、一些報(bào)文段攜帶了緊急數(shù)據(jù)、一些報(bào)文包含建立或關(guān)閉連接的請(qǐng)求。6個(gè)標(biāo)志位的意義如下圖：

6、窗口大小字段可看作捎帶的另一個(gè)例子，窗口通告可以附加在任何報(bào)文段中發(fā)送。在TCP發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)，可在窗口字段中填寫相應(yīng)值以通知對(duì)方自己的可用緩沖區(qū)大?。ㄒ宰止?jié)為單位），報(bào)文接收方需要根據(jù)這個(gè)值來調(diào)整發(fā)送窗口的大小。這個(gè)字段是16bit的，所以通告窗口的最大值為65535字節(jié)。窗口字段是實(shí)現(xiàn)流量控制的關(guān)鍵字段，當(dāng)接收方向發(fā)送方通知一個(gè)大小為0的窗口時(shí)，將完全阻止發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送

7、16位的緊急指針只有當(dāng)緊急標(biāo)志位URG置位時(shí)才有效，此時(shí)報(bào)文中包含了緊急數(shù)據(jù)，緊急數(shù)據(jù)始終放在報(bào)文段數(shù)據(jù)開始的地方，而緊急指針定義出了緊急數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)中的結(jié)束處，用這個(gè)值加上序號(hào)字段值就得到了最后一個(gè)緊急數(shù)據(jù)的序號(hào)

構(gòu)造TCP報(bào)文段

接下來，我們使用結(jié)構(gòu)體來定義TCP報(bào)文，該結(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)體的成員變量，與我們剛才介紹的TCP報(bào)文格式的每個(gè)字段是一一對(duì)應(yīng)的，這里不再重復(fù)解析。

tcp報(bào)文發(fā)送接口

tcp數(shù)據(jù)的發(fā)送接口tcp_transmit_skb,會(huì)在tcp建立可靠連接和數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)被多次調(diào)用，如三次握手、write()、read()等。在level-ip中，該接口函數(shù)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(shè)置源端口號(hào)

第13行：設(shè)置目標(biāo)端口號(hào)

第14行：自己發(fā)送的數(shù)據(jù)的起始序號(hào)

第15行：通知對(duì)方期望接收的下一字節(jié)的序號(hào)

在IP協(xié)議中，會(huì)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行編號(hào)，而在TCP中沒有報(bào)文編號(hào)的概念，因?yàn)樗哪繕?biāo)是數(shù)據(jù)流傳輸，數(shù)據(jù)流由連續(xù)的字節(jié)流組成，盡管在上層可能用各種各樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式來描述數(shù)據(jù)，但在TCP看來，數(shù)據(jù)都是字節(jié)流。TCP把一個(gè)連接中的所有數(shù)據(jù)字節(jié)都進(jìn)行了編號(hào)，當(dāng)然兩個(gè)方向上的編號(hào)是彼此獨(dú)立的，編號(hào)的初始值由發(fā)送數(shù)據(jù)的一方隨機(jī)選取，編號(hào)取值是0~2^32-1，比如發(fā)送方選擇的起始編號(hào)為20，且將要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為800字節(jié)，那么字節(jié)編號(hào)將覆蓋20到819的范圍。當(dāng)所有字節(jié)被編上號(hào)后，字節(jié)流會(huì)被分裝在若干個(gè)TCP報(bào)文中發(fā)送，此時(shí)TCP報(bào)文首部的字段能夠記錄它所運(yùn)載數(shù)據(jù)的起始編號(hào)以及運(yùn)載數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。在接收端，可以根據(jù)這些信息對(duì)報(bào)文中數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和確認(rèn)。例如，將上述的800字節(jié)放在三個(gè)報(bào)文段中來發(fā)送，前兩個(gè)報(bào)文段各裝載了300字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后一個(gè)報(bào)文裝載了200字節(jié)的數(shù)據(jù)，則三個(gè)報(bào)文段攜帶的數(shù)據(jù)情況如下：

報(bào)文段1：起始序號(hào)：20，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：300，序號(hào)范圍：20~319

報(bào)文段2：起始序號(hào)：320，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：300，序號(hào)范圍：320~619

報(bào)文段3：起始序號(hào)：620，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：200，序號(hào)范圍：620~819

接收方通過確認(rèn)的機(jī)制來告訴發(fā)送方數(shù)據(jù)的接收狀況，這是通過向發(fā)送方返回一個(gè)確認(rèn)號(hào)來完成的，確認(rèn)號(hào)標(biāo)識(shí)出自己期望接收到的下一個(gè)字節(jié)的編號(hào)，例如在上面的例子中，如果接收方接收到了報(bào)文段1，則它返回給發(fā)送方的確認(rèn)號(hào)為320，表示自己期望收到數(shù)據(jù)編號(hào)為320的數(shù)據(jù)；確認(rèn)號(hào)是累計(jì)的，即如果發(fā)送方接收到確認(rèn)號(hào)的值為620，說明接收方已經(jīng)正確接收了620編號(hào)以前的所有數(shù)據(jù)，接收方可能是在收到兩個(gè)報(bào)文段后才發(fā)送的一個(gè)確認(rèn)；還有一種情況，如果接收方只收到報(bào)文段1和3，那么它返回的確認(rèn)號(hào)仍然是320，確認(rèn)號(hào)始終表示接收方期望的下一字節(jié)數(shù)據(jù)，盡管可能已有更高編號(hào)的數(shù)據(jù)被收到

第16行：保留位

第17行：設(shè)置滑動(dòng)窗口大小

在數(shù)據(jù)發(fā)送端，所有數(shù)據(jù)流按照順序被組織在發(fā)送緩存中，什么時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)以及發(fā)送的多少是由滑動(dòng)窗口決定的，使用窗口滑動(dòng)的概念可以達(dá)到很好的流量控制效果和擁塞控制效果。如下圖所示，滑動(dòng)窗口可以看成定義在數(shù)據(jù)緩沖上的一個(gè)窗口，緩沖中存放了從應(yīng)用程序傳遞過來的待發(fā)送數(shù)據(jù)，窗口能在緩沖上滑動(dòng)，滑動(dòng)窗口狀態(tài)決定了TCP能發(fā)送哪些數(shù)據(jù)。滑動(dòng)窗口較大時(shí)， TCP可以在收到確認(rèn)之前一次性地發(fā)送幾個(gè)報(bào)文段，這樣，可以使得網(wǎng)絡(luò)總是處于忙碌狀態(tài)，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。當(dāng)發(fā)送窗口較小時(shí)，能夠被發(fā)送的報(bào)文很少，在極端情況下，當(dāng)發(fā)送窗口為0時(shí)，沒有任何報(bào)文能被發(fā)送，減少報(bào)文的發(fā)送是進(jìn)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(zhì)在于對(duì)發(fā)送窗口的合理調(diào)節(jié)

第18行：校驗(yàn)和設(shè)置為0

第19行：緊急指針設(shè)置為0，

TCP采用了緩沖機(jī)制來保證協(xié)議的高效性，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，TCP內(nèi)核將延遲小分組數(shù)據(jù)的交付，它將等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以期待接收更多的應(yīng)用數(shù)據(jù)，最后再一起發(fā)送；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，TCP首先是先將數(shù)據(jù)放在接收緩沖中，只有在應(yīng)用程序準(zhǔn)備就緒或者TCP協(xié)議認(rèn)為時(shí)機(jī)恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，數(shù)據(jù)才會(huì)被交付給應(yīng)用程序。上述緩沖機(jī)制是出于對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提升的考慮，但是它可能會(huì)妨礙某些應(yīng)用程序的使用。例如，兩個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行交互式通信，一端應(yīng)用程序打算把用戶鍵入的字符發(fā)送給另一端應(yīng)用程序，并且期望對(duì)方立即響應(yīng)。在這種情況下，TCP的數(shù)據(jù)收集與延遲發(fā)送、緩沖遞交會(huì)給用戶帶來很不好的體驗(yàn)。為了滿足交互式應(yīng)用場(chǎng)合的需求，TCP可以采用下面的方式解決這個(gè)問題。發(fā)送方應(yīng)用程序向TCP傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，請(qǐng)求推送（push）操作，這時(shí)，TCP協(xié)議不會(huì)等待發(fā)送緩沖區(qū)被填滿，而是直接將報(bào)文發(fā)送出去。同時(shí)，被推送出去的報(bào)文首部中推送位（PSH）將被置1，接收端在收到這類報(bào)文時(shí)，會(huì)盡快將數(shù)據(jù)遞交給應(yīng)用程序，而不必緩沖更多的數(shù)據(jù)再遞交

tcp接收接口

tcp數(shù)據(jù)接收接口為tcp_in()函數(shù)。該函數(shù)在ip數(shù)據(jù)幀讀取接口ip_rcv()函數(shù)中調(diào)用。該函數(shù)保存在srcip_input.c文件中，我們來了解一下這個(gè)函數(shù)，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(shù)據(jù)包的data區(qū)域中讀取tcp數(shù)據(jù)信息

第10行：進(jìn)行關(guān)鍵字段的大小端變換和計(jì)算應(yīng)答序號(hào)等

第12行：根據(jù)通信端口，查找管理該次tcp連接的結(jié)構(gòu)體sock

第20行：獲取該結(jié)構(gòu)體的讀寫鎖

第26行：數(shù)據(jù)遞交給tcp_input_state()函數(shù)處理，該函數(shù)會(huì)進(jìn)行tcp通信狀態(tài)的變化，以及獲取把整理好的有序報(bào)文遞交給應(yīng)用程序。

總結(jié)

在對(duì)可靠性要求很高的場(chǎng)合下，使用TCP提供的傳輸性能是很合適的，TCP將兩個(gè)進(jìn)程間傳遞的數(shù)據(jù)看作數(shù)據(jù)流的形式，兩個(gè)先后發(fā)出的TCP報(bào)文雖然在網(wǎng)絡(luò)中也是互不相關(guān)的傳輸，但是它們攜帶的數(shù)據(jù)之間卻具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，因?yàn)門CP給傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)一個(gè)唯一的編號(hào)。在接收端，所有數(shù)據(jù)將按照編號(hào)被順序組織起來，當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收成功后，TCP才把數(shù)據(jù)遞交給應(yīng)用層。應(yīng)用層不必?fù)?dān)心報(bào)文的亂序、重復(fù)、丟失等問題，TCP采用正面確認(rèn)以及超時(shí)重傳等機(jī)制保證數(shù)據(jù)流能全部正確到達(dá)。

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