3.1. 首部格式

TCP 报文段以互联网数据报的形式发送。IP 首部携带若干信息字段，包括源主机地址和目的主机地址（参见 RFC 791 和 RFC 8200）。TCP 首部紧随 IP 首部之后，提供 TCP 特有的信息。这种分层设计使得 TCP 之外的其他主机级协议得以存在。在互联网协议族的早期开发阶段，IP 首部字段曾是 TCP 的一部分。

本文描述的 TCP 使用 TCP 首部。

TCP 首部之后可以跟随报文段中的用户数据，其格式如下所示。本图采用增强型 ASCII 报文首部图的图示风格，图中每个刻度线代表一个比特位置。

    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
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |       |C|E|U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Rsrvd |W|C|R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |       |R|E|G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           [Options]                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                                                               :
   :                             Data                              :
   :                                                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

图 1：TCP 首部格式。

TCP 首部由下列字段组成：

字段	长度	含义
Source Port（源端口）	16 bit	源端口号。
Destination Port（目的端口）	16 bit	目的端口号。
Sequence Number（序列号）	32 bit	本报文段中第一个数据八位组的序列号（设置 SYN 时例外）。若设置了 SYN，则该字段为初始序列号（ISN），第一个数据八位组的序列号为 ISN+1。
Acknowledgment Number（确认号）	32 bit	若设置了 ACK 控制位，则该字段包含本报文段发送方期望接收的下一个序列号。连接一旦建立，便总是发送该字段。
Data Offset（数据偏移，DOffset）	4 bit	TCP 首部所包含的 32 位字的个数，用于指示数据的起始位置。TCP 首部的长度（即使包含选项）必须是 32 位的整数倍。
Reserved（保留，Rsrvd）	4 bit	保留供未来使用的一组控制位。在生成的报文段中，这些位必须为零；若发送方或接收方未实现相应的未来特性，在收到的报文段中也必须忽略这些位。
Window（窗口）	16 bit	本报文段发送方愿意接收的数据八位组数量，自确认字段所指示的序列号起算。使用窗口缩放扩展时，该值会经过移位。
Checksum（校验和）	16 bit	首部与正文中所有 16 位字的反码和的 16 位反码。
Urgent Pointer（紧急指针）	16 bit	紧急指针的当前值，表示为相对于本报文段序列号的正偏移量；紧急指针指向紧急数据之后那个八位组的序列号。仅当报文段设置了 URG 控制位时才解释此字段。
Options（选项）	可变	TCP 选项及其尾部填充，仅当 DOffset > 5 时存在。
Data（数据）	可变	TCP 报文段携带的用户数据。

控制位

控制位也称为“标志”，其分配由 IANA 的 TCP Header Flags 注册表管理。当前已分配的控制位为 CWR、ECE、URG、ACK、PSH、RST、SYN 和 FIN。

标志	长度	含义
CWR	1 bit	Congestion Window Reduced，拥塞窗口减小（参见 RFC 3168）。
ECE	1 bit	ECN-Echo，ECN 回显（参见 RFC 3168）。
URG	1 bit	紧急指针字段有效。
ACK	1 bit	确认字段有效。
PSH	1 bit	推送功能（参见发送调用）。
RST	1 bit	复位连接。
SYN	1 bit	同步序列号。
FIN	1 bit	发送方没有更多数据。

窗口大小必须按无符号数处理，否则较大的窗口会表现为负窗口，TCP 将无法工作（MUST-1）。建议实现为连接记录中的发送窗口和接收窗口大小预留 32 位字段，并以 32 位完成所有窗口计算（REC-1）。

校验和与伪首部

校验和字段是对首部和正文中所有 16 位字求反码和后，再取该和的 16 位反码所得到的值。计算校验和时，必须保证参与求和的数据按 16 位对齐。如果首部和正文包含奇数个八位组，可以在最后一个八位组右侧补零，构成用于校验和计算的 16 位字；补入的字节不作为报文段的一部分发送。计算校验和时，校验和字段本身以零代入。

校验和还覆盖一个概念上置于 TCP 首部之前的伪首部（图 2）。IPv4 伪首部为 96 位，IPv6 伪首部为 320 位。将伪首部纳入校验和，可使 TCP 连接免受误路由报文段的影响。这些信息携带在 IP 首部中，并作为 TCP 实现对 IP 层调用的参数或返回结果，经 TCP/网络接口传递。

                      +--------+--------+--------+--------+
                      |           Source Address          |
                      +--------+--------+--------+--------+
                      |         Destination Address       |
                      +--------+--------+--------+--------+
                      |  zero  |  PTCL  |    TCP Length   |
                      +--------+--------+--------+--------+

图 2：IPv4 TCP 伪首部。

IPv4 伪首部包含：

• Source Address（源地址）： 网络字节序的 IPv4 源地址。
• Destination Address（目的地址）： 网络字节序的 IPv4 目的地址。
• zero： 设置为零的比特。
• PTCL： IP 首部中的协议号。
• TCP Length（TCP 长度）： TCP 首部长度与数据长度之和（以八位组为单位）；该量并非显式发送，而是计算得出，且不计入伪首部自身的 12 个八位组。

对于 IPv6，伪首部在 RFC 8200 第 8.1 节中定义，包含 IPv6 源地址和目的地址、上层分组长度（32 位，其含义与 IPv4 伪首部中的 TCP Length 相同）、三个字节的零填充，以及 Next Header 值。如果 IPv6 与 TCP 之间存在扩展首部，Next Header 值可能与 IPv6 首部中的值不同。

TCP 校验和绝不能省略。发送方必须生成校验和（MUST-2），接收方必须检查校验和（MUST-3）。

选项

选项可占用 TCP 首部末尾的空间，长度为 8 bit 的整数倍。所有选项都计入校验和。选项可起始于任意八位组边界。选项的格式有两种：

1. 仅含一个选项类型八位组。
2. 包含一个选项类型八位组（Kind）、一个选项长度八位组，以及实际的选项数据八位组。

选项长度将选项类型八位组、选项长度八位组本身以及选项数据八位组一并计入。

选项列表可能短于数据偏移字段所指示的长度。选项列表结束选项之后的首部内容必须是值为零的首部填充（MUST-69）。

当前定义的所有选项由 IANA 管理，每个选项均在相应的 RFC 中定义。该集合还包括实验性选项，可扩展以支持多个并发用途（参见 RFC 6994）。

TCP 实现可以支持当前已定义的任何选项，但必须支持下列选项（MUST-4；对最大报文段大小选项的支持也是第 3.7.1 节中 MUST-14 的要求）：

Kind	Length	含义
0	—	选项列表结束（End of Option List，EOL）。
1	—	无操作（No-Operation，NOP）。
2	4	最大报文段大小（Maximum Segment Size，MSS）。

表 1：必需选项集合。

TCP 实现必须能够在任何报文段中接收 TCP 选项（MUST-5）。

TCP 实现必须无差错地忽略任何自身未实现的 TCP 选项，前提是该选项带有长度字段（MUST-6）。除选项列表结束（EOL）和无操作（NOP）外，所有 TCP 选项都必须带有长度字段，未来的所有选项亦然（MUST-68）。TCP 实现必须做好处理非法选项长度（例如零）的准备；一种建议的做法是复位连接并记录错误原因（MUST-7）。

选项空间扩展

目前仍在开展扩展 TCP 选项可用空间的工作，例如 TCP Extended Data Offset Option。