前言：在FPGA上實現TCP協議實際是一個不太好的計划，因為FPGA最擅長的是流水線處理方式，而TCP存在交互，導致FPGA需要進行反饋式的處理。但是由於項目新增的附加要求而又只能在FPGA上去實現TCP協議，才有了這篇總結。
關於在FPGA上實現TCP的具體過程在另外一篇隨筆上進行詳細介紹。
TCP報文格式：
| 源端口號（16bit） |
目的端口號（16bit） |
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| 序列號（32bit） |
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| 確認序列號（32bit） |
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| 首部長度 （4bit） |
保留（6bit） |
URG |
ACK |
PSH |
RST |
SYN |
FIN |
窗口（16bit） |
| 校驗和（16bit） |
緊急指針（16bit） |
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| 選項和填充 |
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| 數據 |
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ARP報文格式：
| 以太網目的地址（48bit） |
以太網源地址（48bit） |
幀類型 （16bit） |
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硬件類型（16bit） |
協議類型（16bit） |
硬件地址長度（8bit） |
協議地址長度（8bit） |
操作碼（16bit） |
發送者硬件地址（48bit） |
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| 發送者IP地址（32bit） |
目標硬件地址（48bit） |
目標IP地址（32bit） |
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TCP數據傳輸流程：
搭建的測試環境很簡單，就是用一根網線將兩台筆記本連接起來，其中一台電腦上模擬客戶端，另一台電腦模擬服務端，用wireshark進行報文抓取。
測試地址如下：
| 交互端 |
MAC地址 |
IP地址 |
TCP端口號 |
| 服務器（Server） |
a0:88:69:8f:2f:64 |
192.168.1.124 |
6920 (0x1b08) |
| 客戶（Client） |
a0:88:b4:77:46:44 |
192.168.1.115 |
3005 (0x0bbd) |
1. 地址解析（ARP）
（1）客戶端向服務器發送一個尋址ARP包。
客戶端發送ARP報文，尋找ip地址為192.168.1.115的主機的mac地址是多少。
（2）服務器收到ARP包后，向客戶端發送一個帶地址的ARP包。
服務端告訴客戶端，我的mac地址是a0:88:69:8f:2f:64。
ARP結束（在TCP數據傳輸的后續過程中還會進行多次這樣的ARP過程）。
2.TCP交互過程：
| 序列號 |
確認序列號 |
| SeqNum |
AckNum |
2.1 建鏈（三次握手）
使用socket調試工具進行tcp調試。
STEP1：客戶端向服務器發送一個數據包（SYN），請求建立連接。Flags=0x02
初始SeqNum（ISN）由客戶端隨機產生，AckNum為0。
[SYN]包：SeqNum=0x753bb0dd AckNum=0x00000000
STEP2：服務器收到SYN請求數據包后，對客戶端進行確認。Flags=0x12
初始SeqNum（ISN）由服務器隨機產生，AckNum=客戶端SeqNum + 1。
[SYN,ACK]包：SeqNum=0x98d82910 AckNum=0x753bb0de
STEP3：客戶端收到確認包后，再對服務器進行確認。Flags=0x10
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum + 1。
[ACK]包：SeqNum=0x753bb0de AckNum=0x98d82911
2.2 數據傳輸（數據包+ACK包）
STEP1：發送數據：客戶端向服務器發送一個帶有數據的數據包。Flags=0x18
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum。
STEP2：確認收到：服務器收到該數據包，向客戶端發送一個確認包。Flags=0x10
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum + payload字節長度。
（1）發送長度為10字節的數據
[PUSH,ACK]包：SeqNum=0x753bb0de AckNum=0x98d82911
[ACK]包：SeqNum=0x98d82911 AckNum=0x753bb0e8
（2）發送長度為14字節的數據
[PUSH,ACK]包：SeqNum=0x753bb0e8 AckNum=0x98d82911
[ACK]包：SeqNum=0x98d82911 AckNum=0x753bb0f6
2.3 斷鏈（四次揮手）
STEP1：客戶端完成數據傳輸后，主動向服務器發送一個終止包（FIN）。Flags=0x11
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum。
[FIN,ACK]包：SeqNum=0x753bb101 AckNum=0x98d82911
STEP2：服務器收到終止數據包后，向客戶端發送確認包進行確認。Flags=0x10
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum + 1。
[ACK]包：SeqNum=0x98d82911 AckNum=0x753bb102
STEP3：服務器完成數據傳輸后，向客戶端發送一個終止包（FIN）。Flags=0x11
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum。
[FIN,ACK]包：SeqNum=0x98d82911 AckNum=0x753bb102
STEP4：客戶端收到終止數據包后，向服務器發送確認包進行確認。Flags=0x10
SeqNum=收到上一幀的AckNum，AckNum=收到上一幀的SeqNum + 1。
[ACK]包：SeqNum=0x753bb102 AckNum=0x98d82912
3.TCP重傳機制
TCP重傳目的是防止報文的丟失。在使用TCP進行數據傳輸時，啟動重傳計時器（retransmission timer），在收到ACK確認報文后，停止重傳計時器。TCP重傳過程中有兩個重要的參數，往返時間（RTT）和重傳超時（RTO）。RTT是指發送端口從報文發出直至收到ACK確認報文所花費的時間。通過對RTT的值多次測量求平均來確定RTO的值。在默認配置下，Windows系統最大的重傳次數為5次，Linux系統最大的重傳次數為15次。
4. 分片、分段
4.1. 最大傳輸單元（MTU）
分片是針對IP協議存在的，IP報文的分片與重組是在網絡層完成的。在以太網中，MTU=1500字節，對長度大於MTU的報文進行分片處理，分片后的IP報文不一定按序到達對端。
4.2. 最大分段大小（MSS）
分段是針對TCP協議存在的，TCP報文的分段與重組是在傳輸層完成的。MSS是指TCP報文每一次可以傳輸的最大數據段，TCP協議在三次握手建立連接的前兩次握手中會協商雙方的MSS值，MSS值的配置在TCP協議的選項字段中，TCP連接的雙方會在握手中通過MSS值通知對方自己能夠接收數據段的最大長度。
在一般情況下，MSS=MTU-IP首部長度-TCP首部長度=1500-20-20=1460字節。如果在三次握手的過程中不對MSS值進行配置，默認的MSS為536字節。
TCP的options字段：
5. 滑動窗口技術
由於FPGA資源有限，在FPGA中一般無法實滑動窗口機制。
在發送端將數據分為四類：在窗口之外的已經成功發送並且被確認的數據、在窗口內的已經發送但未被確認的數據、在窗口內的接收端允許發送但未發送的數據、在窗口之外的接收端不允許發送的數據。
在接收端將數據分為三類：已經接收並回復確認但未被上層應用接收的數據、已經接收但未回復確認的數據、等待接收的數據。
注：在使用TCP協議進行數據傳輸中，並不是對於每一個報文段都回復ACK包，而是有可能對兩個甚至多個報文段只回復一個ACK包。