使用TCPDUMP研究TCP头部结构

《Linux高性能服务器编程》读书笔记

为了理解TCP头部中每个字段的定义，从10.31.90.106执行telnet命令，并用tcpdump抓取这个过程中telnet客户端和telnet服务器程序之间交换的数据包。
一、执行tcpdump抓包
# tcpdump -ntx -i lo

二、在另一个终端输入telnet命令查询

# telnet 127.0.0.1
Trying 127.0.0.1...
telnet: connect to address 127.0.0.1: Connection refused

三、查看tcpdump抓到的包（开启了-x选项，使之输出数据包的二进制码）

# tcpdump -ntx -i lo
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
IP 127.0.0.1.57777 > 127.0.0.1.telnet: Flags [S], seq 3611485706, win 32792, options [mss 16396,sackOK,TS val 1023622707 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
 0x0000:  4510 003c d839 4000 4006 6470 7f00 0001
 0x0010:  7f00 0001  e1b1 0017 d742 e60a 0000 0000
 0x0020:  a002 8018 7540 0000 0204 400c 0402 080a
 0x0030:  3d03 3e33 0000 0000 0103 0307
IP 127.0.0.1.telnet > 127.0.0.1.57777: Flags [R.], seq 0, ack 3611485707, win 0, length 0
 0x0000:  4510 0028 0000 4000 4006 3cbe 7f00 0001
 0x0010:  7f00 0001 0017 e1b1 0000 0000 d742 e60b
 0x0020:  5014 0000 12b7 0000

四、分析TCP包头（数据包共包含60字节，其中前20字节是IP头部，后40字节是TCP头部，不包含应用程序数据（length值为0））

1. Flags [S]，表示该TCP报文段包含SYN标志，因此它是一个同步报文段。（SYN ACK FIN RST PSH URG）
2. seq 3611485706，从127.0.0.1.57777 > 127.0.0.1.telnet这个方向上的第一个TCP报文段，所以这个序号值也就是此次通信过程中该传输方向的ISN值。
3. win 32792，win是接收通告窗口的大小。因为这是一个同步报文段，所以win值反映的是实际的接收通告窗口大小。？
4. options，options是TCP选项，其具体内容列在方括号中。
5. mss 16396，是发送端（客户端）通告的最大报文段长度。（通过ifconfig命令查看lo接口的MTU为16436字节，所以TCP报文段的MSS为16396（16436字节的MTU-20字节的IP头-20字节TCP头部）字节）
6. sackOK，表示发送端支持并同意使用SACK选项。
7. TS val 1023622707，是发送端的时间戳
8. ecr 0，是时间戳回显应答（因为这是一次TCP通信的第一个TCP报文段，所以它针对对方的时间戳的应答为0（尚未收到对方的时间戳）
9. nop，空操作选项
10. wscale 7，发送端使用的窗口扩大因子为7
11. length 0，表示数据部分长度为0字节
12. TCP头部，从 0xe1b1 到 0x0307（前20字节是IP头部，0x4510 到 0x0001）

 0x0010:  7f00 0001  e1b1 0017 d742 e60a 0000 0000
 0x0020:  a002 8018 7540 0000 0204 400c 0402 080a
 0x0030:  3d03 3e33 0000 0000 0103 0307

对比下图，说明TCP头部结构

• 16位端口号（port number）：告知主机该报文段是来自哪里（源端口）以及传给哪个上层协议或应用程序（目的端口）的。进行TCP通信时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号，而服务器则使用知名服务端口号。所有知名服务使用的端口号都定义在/etc/services文件中。

• 32位序号（sequence number）：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机A和主机B进行TCP通信，A发送给B的第一个TCP报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值ISN（Initial Sequence Number，初始序号值）。那么在该传输方向上（从A到B），后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025～2048字节，那么该报文段的序号值就是ISN+1025。另外一个传输方向（从B到A）的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。

• 32位确认号（acknowledgement number）：用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。假设主机A和主机B进行TCP通信，那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号，而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之，B发送出的TCP报文段也同时携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认号。

• 4位头部长度（header length）：标识该TCP头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大能表示15，所以TCP头部最长是60字节。

• 6位标志位包含如下几项：

  • URG标志，表示紧急指针（urgent pointer）是否有效。
  • ACK标志，表示确认号是否有效。我们称携带ACK标志的TCP报文段为确认报文段。
  • PSH标志，提示接收端应用程序应该立即从TCP接收缓冲区中读走数据，为接收后续数据腾出空间（如果应用程序不将接收到的数据读走，它们就会一直停留在TCP接收缓冲区中）。
  • RST标志，表示要求对方重新建立连接。我们称携带RST标志的TCP报文段为复位报文段。
  • SYN标志，表示请求建立一个连接。我们称携带SYN标志的TCP报文段为同步报文段。
  • FIN标志，表示通知对方本端要关闭连接了。我们称携带FIN标志的TCP报文段为结束报文段。

• 16位窗口大小（window size）：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。

• 16位校验和（TCP checksum）：由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。

• 16位紧急指针（urgent pointer）：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。我们将在后面讨论TCP紧急数据。

• TCP头部的最后一个选项字段（options）是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为TCP头部最长是60字节（其中还包含前面讨论的20字节的固定部分）。典型的TCP头部选项结构如图所示。

  
  
  

  选项的第一个字段kind说明选项的类型。有的TCP选项没有后面两个字段，仅包含1字节的kind字段。第二个字段length（如果有的话）指定该选项的总长度，该长度包括kind字段和length字段占据的2字节。第三个字段info（如果有的话）是选项的具体信息。常见的TCP选项有7种，如图所示。

  
  

• kind=0是选项表结束选项。

• kind=1是空操作（nop）选项，没有特殊含义，一般用于将TCP选项的总长度填充为4字节的整数倍。

• kind=2是最大报文段长度选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商最大报文段长度（Max Segment Size，MSS）。TCP模块通常将MSS设置为（MTU-40）字节（减掉的这40字节包括20字节的TCP头部和20字节的IP头部）。这样携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU（假设TCP头部和IP头部都不包含选项字段，并且这也是一般情况），从而避免本机发生IP分片。对以太网而言，MSS值是1460（1500-40）字节。

• kind=3是窗口扩大因子选项。TCP连接初始化时，通信双方使用该选项来协商接收通告窗口的扩大因子。在TCP的头部中，接收通告窗口大小是用16位表示的，故最大为65?535字节，但实际上TCP模块允许的接收通告窗口大小远不止这个数（为了提高TCP通信的吞吐量）。窗口扩大因子解决了这个问题。假设TCP头部中的接收通告窗口大小是N，窗口扩大因子（移位数）是M，那么TCP报文段的实际接收通告窗口大小是N乘2M，或者说N左移M位。注意，M的取值范围是0～14。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_window_scaling内核变量来启用或关闭窗口扩大因子选项。
  和MSS选项一样，窗口扩大因子选项只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。但同步报文段本身不执行窗口扩大操作，即同步报文段头部的接收通告窗口大小就是该TCP报文段的实际接收通告窗口大小。当连接建立好之后，每个数据传输方向的窗口扩大因子就固定不变了。关于窗口扩大因子选项的细节，可参考标准文档RFC 1323。

• kind=4是选择性确认（Selective Acknowledgment，SACK）选项。TCP通信时，如果某个TCP报文段丢失，则TCP模块会重传最后被确认的TCP报文段后续的所有报文段，这样原先已经正确传输的TCP报文段也可能重复发送，从而降低了TCP性能。SACK技术正是为改善这种情况而产生的，它使TCP模块只重新发送丢失的TCP报文段，不用发送所有未被确认的TCP报文段。选择性确认选项用在连接初始化时，表示是否支持SACK技术。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_sack内核变量来启用或关闭选择性确认选项。

• kind=5是SACK实际工作的选项。该选项的参数告诉发送方本端已经收到并缓存的不连续的数据块，从而让发送端可以据此检查并重发丢失的数据块。每个块边沿（edge of block）参数包含一个4字节的序号。其中块左边沿表示不连续块的第一个数据的序号，而块右边沿则表示不连续块的最后一个数据的序号的下一个序号。这样一对参数（块左边沿和块右边沿）之间的数据是没有收到的。因为一个块信息占用8字节，所以TCP头部选项中实际上最多可以包含4个这样的不连续数据块（考虑选项类型和长度占用的2字节）。

• kind=8是时间戳选项。该选项提供了较为准确的计算通信双方之间的回路时间（Round Trip Time，RTT）的方法，从而为TCP流量控制提供重要信息。我们可以通过修改/proc/sys/net/ipv4/tcp_timestamps内核变量来启用或关闭时间戳选项。