23-TCP 协议（紧急标志）

Posted 2022-12-15 --Allen--

1. 紧急标志

当你再次看到图 1 时，相信你已经无比的亲切，再观察下面彩色的 6 个标志位，有 5 个你已经熟知了，还剩下最后一个 URG，对，就是图 1 中那个鲜红的，醒目的那个位置。

图1 TCP 首部

除此之外，还有一个字段—— 16 位紧急指针，它正是配合 URG 标志位一起使用的，言外之意就是这个字段只有在 URG 被置位时才有意义。因为只有一个紧急指针，这也意味着它只能标识一个字节的数据。这个指针指向了紧急数据最后一个字节的下一个字节。

图2 紧急数据与紧急指针

我们知道 TCP 在传输数据时是有顺序的，它有字节号，URG 配合紧急指针，就可以找到紧急数据的字节号。紧急数据的字节号公式如下：

$$紧急数据字节号(urgSeq) = TCP 报文序号(seq) + 紧急指针(urgpoint) - 1$$

比如图 2 中的例子，如果 seq = 10, urgpoint = 5, 那么字节序号 urgSeq = 10 + 5 -1 = 14.

知道了字节号后，就可以计算紧急数据字位于所有传输数据中的第几个字节了，如果从第 0 个字节开始算起，那么紧急数据就是第 urgSeq - ISN - 1 个字节（还记得 ISN 吗，它表示初始序列号），减 1 表示不包括第一个 SYN 段，因为一个 SYN 段会消耗一个字节号。

2. 紧急标志的作用

紧急标志可以用来通知对端：我放了一个紧急数据在数据流中，你看着办吧！这个特性往往可以来达到通知的目的。

一旦 TCP 知道了你要发送紧急数据，那么在接下来的数据发送中，TCP 会将所有的 TCP 报文段中的 URG 标志置位，哪怕该报文段中不包含紧急数据，这个行为会持续到紧急数据被发送出去为止。

3. 一个示例

该数据是运行 unp/protocol/tools/tcpserver/urg_server.c 和 unp/protocol/tools/winclient/urg_client.cpp 时抓取的。

urg_client 程序每次发送 1024 字节的数据，一共发送 8 次。在第 4 次的时候，发送了 1 字节的紧急数据（字符 'X'）和 1024 字节普通数据。类似下面这段代码：

for (i = 1; i <= 8; ++i) 
  if (i == 4) write(sockfd, 'X', 1, URG);
  write(sockfd, buf, 1024);

服务器 urg_server 接收到客户端的连接请求后，先等待 3 秒，再接收数据，每次接收 1024 字节，类似下面这样：

while(1) 
  sleep(3);
  read(sockfd, buf, 1024);
  //...

最后，抓取到的数据如图 3.

图3 抓取的包含 URG 的 TCP 报文

可以看到，当客户端在第一次发送了 1024 字节后（数据包 4），5 号数据包就发送了一个 URG。实际上，write 函数首先将数据写入自己的缓冲区，如果客户端发送缓冲区足够大，几乎一瞬间就会把 8193 个字节写入到缓冲区。

第一次 write 1024 字节到缓冲区后，TCP 直接将这 1024 字节发出去了。在收到对方的 ACK 前，TCP 都不会再发送数据（Nagle 算法），客户端又连续 write 了 7 次，写入发送缓冲区。因为在第 4 次的时候，客户端发送了一个字节紧急数据，因此，接下来 TCP 在每次发送报文时都会打开 URG 标志。直到紧急数据被发送出去。

我们看看最后一个红框框，也就是 22 号数据包：

图4 紧急数据 'X'

紧急指针 urgent pointer 的值为 1， 也就是当前 TCP 段中第一个字节。这一个字节的紧急数据，随普通数据一起发送了出去。

4. 一些坑

如果发送方多次发送紧急数据，最后一个数据的紧急指针会将前面的覆盖。比方说你发送了一个字节的紧急数据 'X'，在 'X' 尚未被 TCP 发送前，你又发送了一个紧急数据 'Y'，那么在后面的 TCP 报文中，紧急指针都是指向了 'Y' 的。

很多系统的实现，包括 Linux 将紧急数据称之为带外数据（out-of-band data, OOB），意为在连接之外传送的数据，实际上这是不对的（《TCP/IP 详解》一书称此不正确的）。即使是紧急数据，仍然会随着普通数据流一起发送，并不会单独为紧急数据开辟一条新的连接通道单独发送。这从图 3 中我们也可以看到，紧急数据并没有被优先发送出去。

5. 总结

• 知道紧急标志位的作用
• 紧急指针的含义
• 紧急数据与带外数据