1. 从早期 TCP 到现代 TCP/IP
TCP 的最早版本由 Robert Elliot Kahn 和 Vinton Gray Cerf 在 1973 年提出。当时，它被称为 Transmission Control Program（传输控制程序），而不是如今的 Transmission Control Protocol（传输控制协议）。尽管名称不同，但早期 TCP 的目标与现代 TCP 的目标基本一致：
- 网络连接：网关确保多个网络之间的连接
- 分布式控制：没有中心化的网络控制和管理节点
- 错误恢复：发送的数据包能够正确到达目标（通过重传机制）
- 黑盒模型：将一个网络连接到另一个网络时，不需要修改其内部结构
不过，当时的 TCP 同时负责网络路由和数据传输。换句话说，IP 并未参与其中。因此，像数据包的源地址和目标地址这样的信息，都是由 TCP 来处理的。
RFC 675 详细记录了这一早期版本的 TCP。其中一个最能体现早期与现代 TCP 差异的点是它们的头部结构。下图总结了早期 TCP 的头部格式：
随着网络变得越来越复杂，对网络路由和传输进行分层的需求也日益增长。因此，在 1976 年，人们开始着手将早期 TCP 向现代 TCP/IP 转型。最终，RFC 791 和 RFC 793 在 1981 年正式发布了现代 TCP/IP 协议。
随着网络路由由 IP 协议接管，TCP 的头部信息也相应简化。下图展示了现代 TCP 的基本头部格式：
2. TCP/IP 中的伪头部（Pseudo-Header）
从早期 TCP 向现代 TCP/IP 的过渡带来了不少挑战。一个显著的例子是：TCP 本质上是一个端到端的协议，因此源地址和目的地址在 TCP 通信中起着至关重要的作用。
例如，TCP 校验和必须包含端点地址等信息，以确保这些数据在传输过程中没有被损坏。然而，在 TCP/IP 架构中，这些信息现在位于 IP 头部，而不是 TCP 头部。此时，IP 成为了 TCP 的封装层。
为了解决这个问题，TCP 引入了“伪头部”的概念。伪头部包含 IP 头部的部分信息，用于保留 TCP 的端到端特性，同时避免在 TCP 头部中重复 IP 头部中的数据。
伪头部共 12 字节，包括以下字段：
- 源 IP 地址（Src IP Address）：来自 IP 头部的源地址
- 目的 IP 地址（Dst IP Address）：来自 IP 头部的目的地址
- 保留字段（Reserved）：8 位的 0
- 协议（Protocol）：IP 头部中的协议字段。对于 TCP 来说，该值为 6。其他传输层协议（如 UDP）也会使用伪头部，因此它们的协议值不同
- TCP 长度（TCP Length）：TCP 段的长度，包括 TCP 头部和数据部分
下图展示了伪头部的组成结构：
2.1 TCP 校验和（TCP Checksum）
伪头部的一个重要用途是用于计算 TCP 的校验和。除了伪头部外，TCP 校验和还会对 TCP 头部和数据进行校验。计算完成后，校验和值会被写入 TCP 头部的 checksum 字段。
需要注意的是，伪头部并不是真实传输的数据。也就是说，它不会随数据包一起发送。以校验和为例，发送方在计算校验和时临时构造伪头部，计算完成后丢弃。接收方在收到数据包后，也会根据当前 IP 头部信息重新构造伪头部，用于校验数据的完整性。
3. 当下的伪头部
使用伪头部的一个历史原因是出于安全考虑。设计者希望通过在 TCP 中引入加密和认证机制来保护地址信息，从而抵御中间人攻击等安全威胁。
然而，这些安全机制由于各种原因并未广泛推广。但正如我们在前面提到的，TCP 校验和仍然依赖伪头部。因此，TCP 一直保留了伪头部。
不过，伪头部也带来了一些挑战。由于它依赖 IP 头部信息，所以每当 IP 协议发生变化时，TCP 都需要做出相应的调整。例如，从 IPv4 过渡到 IPv6 时，伪头部的结构也需要随之变化，进而影响 TCP 校验和的计算方式。
因此，在未来网络协议的设计中，是否继续保留伪头部，是一个值得深思的问题。
4. 总结
本文我们探讨了 TCP/IP 中伪头部的作用和演变。首先回顾了 TCP 从早期版本演进到现代 TCP/IP 的过程，接着深入解析了伪头部的结构和应用场景，最后分析了伪头部在当下网络环境中的挑战和前景。
虽然早期 TCP 中关于安全和认证的设计并未普及，但伪头部在 TCP 校验和中的应用，使其在今天依然具有实用价值。未来，随着网络架构的不断演进，是否继续保留伪头部，仍需进一步评估。