3.2 TCP头部结构
TCP头部信息出现在每个TCP报文段中，用于指定通信的源端端口，目的端端口，管理TCP连接等，本节详细介绍TCP的头部结构，包括固定头部结构和头部选项。
3.2.1 TCP固定头部结构
TCP头部结构如图3-3所示，其中的诸多字段为管理TCP连接和控制数据流提供了足够的信息。
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。1.3节中提到过，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：
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。
3.2.2 TCP头部选项
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3-4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3-5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。
3.2.3 使用tcpdump观察TCP头部信息
在2.3节中，我们利用tcpdump抓取了一个数据包并分析了其中的IP头部信息，本节分析其中与TCP协议相关的部分（后面的分析中，我们将所有tcpdump抓取到的数据包都称为TCP报文段，因为TCP报文段既是数据包的主要内容，也是我们主要讨论的对象）。为了方便阅读，先将该TCP报文段的内容复制于代码清单3-1中。
tcpdump输出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。如果TCP报文段包含其他标志，则tcpdump也会将该标志的首字母显示在“Flags”后的方括号中。
seq是序号值。因为该同步报文段是从127.0.0.1.41621（客户端IP地址和端口号）到127.0.0.1.23（服务器IP地址和端口号）这个传输方向上的第一个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。并且，因为这是整个通信过程中的第一个TCP报文段，所以它没有针对对方发送来的TCP报文段的确认值（尚未收到任何对方发送来的TCP报文段）。
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。
options是TCP选项，其具体内容列在方括号中。mss是发送端（客户端）通告的最大报文段长度。通过ifconfig命令查看回路接口的MTU为16436字节，因此可以预想到TCP报文段的MSS为16396（16436-40）字节。sackOK表示发送端支持并同意使用SACK选项。TS val是发送端的时间戳。ecr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）。紧接着的nop是一个空操作选项。wscale指出发送端使用的窗口扩大因子为6。
接下来我们分析tcpdump输出的字节码中TCP头部对应的信息，它从第21字节开始，如表3-1所示。
从表3-1中可见，TCP报文段头部的二进制码和tcpdump输出的TCP报文段描述信息完全对应。在后面的tcpdump输出中，我们将省略大部分TCP头部信息，仅显示序号、确认号、窗口大小以及标志位等与主题相关的字段。
