2025年ipv6 tcp报文（ipv6报文结构）

大家好，我是讯享网，很高兴认识大家。

TCP是传输层的重点协议，负责数据能够从发送端传输到接收端。

本篇文章重点结合TCP的协议段格式对TCP的核心机制进行讲解，为了方便记忆和理解，抽取出来了“十大特性”，如有错误或者漏掉的特性，欢迎大家在评论区补充说明。

源/目的端口号：表示数据是从哪个进程来，到哪个进程去；
4位TCP报头长度：表示该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长度是15 * 4 = 60
6位标志位:

URG：紧急指针是否有效

ACK：确认号是否有效

PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走

RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段

SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段

FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段

16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。

16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据；

下面我将结合TCP的报文结构，分析TCP 的原理：

TCP对数据传输提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率。即保证数据传输安全的前提下，尽可能的提高传输效率。

（1）确认应答

TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。

（2）超时重传

主机A发送数据给B之后，可能因为网络拥堵等原因，数据无法到达主机B；

如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答，就会进行重发；

但是，主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了；

因此主机B会收到很多重复数据。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包，并且把重复的丢弃掉。

这时候我们可以利用前面提到的序列号，就可以很容易做到去重的效果。

那么，如果超时的时间如何确定？

最理想的情况下，找到一个最小的时间，保证 “确认应答一定能在这个时间内返回”。

但是这个时间的长短，随着网络环境的不同，是有差异的。

如果超时时间设的太长，会影响整体的重传效率；

如果超时时间设的太短，有可能会频繁发送重复的包；

TCP为了保证无论在任何环境下都能比较高性能的通信，因此会动态计算这个最大超时时间。

Linux中（BSD Unix和Windows也是如此），超时以500ms为一个单位进行控制，每次判定超时重发的超时时间都是500ms的整数倍。

如果重发一次之后，仍然得不到应答，等待 2*500ms 后再进行重传。

如果仍然得不到应答，等待 4*500ms 进行重传。依次类推，以指数形式递增。

累计到一定的重传次数，TCP认为网络或者对端主机出现异常，强制关闭连接。

（3）连接管理（三次握手，四次挥手）

在正常情况下， TCP 要经过三次握手建立连接，四次挥手断开连接。

服务端状态转化：

[CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端连接；

[LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到连接请求（同步报文段），就将该连接放入内核等待队列中，并向客户端发送SYN确认报文。

[SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端的确认报文，就进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了。

[ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭连接（调用close），服务器会收到结束报文段，服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT；

[CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接（需要处理完之前的数据）；当服务器真正调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN，此时服务器进入LAST_ACK状态，等待最后一个ACK到来（这个ACK是客户端确认收到了FIN）

[LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭连接。

客户端状态转化：

[CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect，发送同步报文段；

[SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用成功，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数据；

[ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时，向服务器发送结束报文段，同时进入FIN_WAIT_1；

[FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对结束报文段的确认，则进入 FIN_WAIT_2，开始等待服务器的结束报文段；

[FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的结束报文段，进入TIME_WAIT，并发出LAST_ACK；

[TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL（Max Segment Life，报文最大生存时间）的时间，才会进入CLOSED状态。

（4）滑动窗口

刚才我们讨论了确认应答策略，对每一个发送的数据段，都要给一个 ACK 确认应答。收到 ACK后再发送下一个数据段。这样做有一个比较大的缺点，就是性能较差。尤其是数据往返的时间较长的时候。

既然这样一发一收的方式性能较低，那么我们一次发送多条数据，就可以大大的提高性能（其实是将多个段的等待时间重叠在一起了）。

窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继续发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节（四个段）。

发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；

收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继续发送第五个段的数据；依次类推；

操作系统内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记录当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；

窗口越大，则网络的吞吐率就越高；

那么如果出现了丢包，如何进行重传？分两种情况讨论

情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了

这种情况下，部分ACK丢了并不要紧，因为可以通过后续的ACK进行确认；

情况二 ：数据包就直接丢了。

当某一段报文段丢失之后，发送端会一直收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 “我想要的是 1001” 一样；

如果发送端主机连续三次收到了同样一个 “1001” 这样的应答，就会将对应的数据 1001 - 2000 重新发送；

这个时候接收端收到了 1001 之后，再次返回的ACK就是7001了（因为2001 - 7000）接收端其实之前就已经收到了，被放到了接收端操作系统内核的接收缓冲区中；

这种机制被称为 “高速重发控制”（也叫 “快重传”）。

（5）流量控制

接收端处理数据的速度是有限的。如果发送端发的太快，导致接收端的缓冲区被打满，这个时候如果发送端继续发送，就会造成丢包，继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。

因此 TCP 支持根据接收端的处理能力，来决定发送端的发送速度。这个机制就叫做 流量控制（ Flow Control ）

接收端将自己可以接收的缓冲区大小放入 TCP 首部中的 “窗口大小” 字段，通过ACK端通知发送端；

窗口大小字段越大，说明网络的吞吐量越高；

接收端一旦发现自己的缓冲区快满了，就会将窗口大小设置成一个更小的值通知给发送端；

发送端接受到这个窗口之后，就会减慢自己的发送速度；

如果接收端缓冲区满了，就会将窗口置为0；这时发送方不再发送数据，但是需要定期发送一个窗口探测数据段，使接收端把窗口大小告诉发送端。

接收端如何把窗口大小告诉发送端呢？回忆我们的 TCP 首部中，有一个 16 位窗口字段，就是存放了窗口大小信息；

那么问题来了， 16 位数字最大表示 65535 ，那么 TCP 窗口最大就是 65535 字节么？

实际上， TCP 首部 40 字节选项中还包含了一个窗口扩大因子 M ，实际窗口大小是窗口字段的值左移 M位；

（6）拥塞控制

虽然 TCP 有了滑动窗口这个大杀器，能够高效可靠的发送大量的数据。但是如果在刚开始阶段就发送大量的数据，仍然可能引发问题。

因为网络上有很多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量的数据，是很有可能引起雪上加霜的。

TCP 引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；

此处引入一个概念程为拥塞窗口
发送开始的时候，定义拥塞窗口大小为1；
每次收到一个ACK应答，拥塞窗口加1；
每次发送数据包的时候，将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较，取较小的值作为实际发送的窗口；

像上面这样的拥塞窗口增长速度，是指数级别的。“慢启动” 只是指初使时慢，但是增长速度非常快。为了不增长的那么快，因此不能使拥塞窗口单纯的加倍。此处引入一个叫做慢启动的阈值当拥塞窗口超过这个阈值的时候，不再按照指数方式增长，而是按照线性方式增长。

当TCP开始启动的时候，慢启动阈值等于窗口最大值；
在每次超时重发的时候，慢启动阈值会变成原来的一半，同时拥塞窗口置回1；

少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；

当TCP通信开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立刻下降；

拥塞控制，归根结底是 TCP 协议想尽可能快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。

（7）延时应答

如果接收数据的主机立刻返回 ACK 应答，这时候返回的窗口可能比较小。

假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；如果立刻应答，返回的窗口就是500K；
但实际上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了；
在这种情况下，接收端处理还远没有达到自己的极限，即使窗口再放大一些，也能处理过来；
如果接收端稍微等一会再应答，比如等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是1M；

一定要记得，窗口越大，网络吞吐量就越大，传输效率就越高。我们的目标是在保证网络不拥塞的情况下尽量提高传输效率；

那么所有的包都可以延迟应答么？肯定也不是；

数量限制：每隔N个包就应答一次；
时间限制：超过最大延迟时间就应答一次；

具体的数量和超时时间，依操作系统不同也有差异；一般N取2，超时时间取200ms；

（8）捎带应答

在延迟应答的基础上，我们发现，很多情况下，客户端服务器在应用层也是 “ 一发一收 ” 的。意味着客户端给服务器说了 “How are you” ，服务器也会给客户端回一个 “Fine, thank you” ；

那么这个时候 ACK 就可以搭顺风车，和服务器回应的 “Fine ， thank you” 一起回给客户端。

（9）面向字节流

创建一个 TCP 的 socket ，同时在内核中创建一个 发送缓冲区 和一个 接收缓冲区 ；

调用write时，数据会先写入发送缓冲区中；
如果发送的字节数太长，会被拆分成多个TCP的数据包发出；
如果发送的字节数太短，就会先在缓冲区里等待，等到缓冲区长度差不多了，或者其他合适的时机发送出去；
接收数据的时候，数据也是从网卡驱动程序到达内核的接收缓冲区；
然后应用程序可以调用read从接收缓冲区拿数据；
另一方面，TCP的一个连接，既有发送缓冲区，也有接收缓冲区，那么对于这一个连接，既可以读数据，也可以写数据。这个概念叫做全双工。

由于缓冲区的存在， TCP 程序的读和写不需要一一匹配，例如：

写100个字节数据时，可以调用一次write写100个字节，也可以调用100次write，每次写一个字节；
读100个字节数据时，也完全不需要考虑写的时候是怎么写的，既可以一次read 100个字节，也可以一次read一个字节，重复100次；

TCP 的面向字节流很容易会导致粘包问题。

粘包问题

什么是粘包问题？

首先要明确，粘包问题中的 “包” ，是指的应用层的数据包。

在TCP的协议头中，没有如同UDP一样的 “报文长度” 这样的字段，但是有一个序号这样的字段。

站在传输层的角度，TCP是一个一个报文过来的。按照序号排好序放在缓冲区中。

站在应用层的角度，看到的只是一串连续的字节数据。

那么应用程序看到了这么一连串的字节数据，就不知道从哪个部分开始到哪个部分，是一个完整的应用层数据包。

那么如何避免粘包问题呢？归根结底就是一句话，明确两个包之间的边界。

对于定长的包，保证每次都按固定大小读取即可；例如上面的Request结构，是固定大小的，那么就从缓冲区从头开始按sizeof（Request）依次读取即可；
对于变长的包，可以在包头的位置，约定一个包总长度的字段，从而就知道了包的结束位置；
对于变长的包，还可以在包和包之间使用明确的分隔符（应用层协议，是程序猿自己来定的，只要保证分隔符不和正文冲突即可）；

（10）异常情况

进程终止：进程终止会释放文件描述符，仍然可以发送 FIN 。和正常关闭没有什么区别。

机器重启：和进程终止的情况相同。

机器掉电 / 网线断开：接收端认为连接还在，一旦接收端有写入操作，接收端发现连接已经不在了，就会进行reset 。即使没有写入操作， TCP 自己也内置了一个保活定时器，会定期询问对方是否还在。如果对方不在，也会把连接释放。

TCP原理复杂的原因一是因为要保证消息可靠，而是要尽可能的提高数据的传输效率。

TCP保证可靠性的机制：

校验和
序列号（按序到达）
确认应答
超时重发
连接管理
流量控制
拥塞控制

用来提高性能的机制：

滑动窗口
快速重传
延迟应答
捎带应答

基于TCP的应用层协议：HTTP，HTTPS，SSH，Telnet，FTP，SMTP等。