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TCP协议详解：首部格式与连接管理

一、TCP首部格式

TCP首部最小20字节，最大60字节，包含以下字段：
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 源端口号(16bit) | 目的端口号(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 序列号(32bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 确认号(32bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 数据偏移(4bit)| 保留(6bit) |U|A|P|R|S|F| 窗口大小(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 校验和(16bit) | 紧急指针(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 选项(可选，最多40字节) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 数据部分 |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+

关键字段说明：

• 源/目的端口：各占2字节，标识发送方和接收方的应用进程
• 序列号/确认号：各占4字节，用于可靠传输
• 控制标志位：
  • URG：紧急指针有效
  • ACK：确认号有效
  • PSH：接收方应尽快交付应用层
  • RST：连接复位
  • SYN：同步序列号（连接建立）
  • FIN：发送方数据发送完毕（连接释放）

二、TCP三次握手（连接建立）

客户端 服务端
| |
| SYN=1, seq=x |
|--------------------------------->|
| |
| SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 |
|<---------------------------------|
| |
| ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 |
|--------------------------------->|
| |

握手过程：

1. SYN_SENT：客户端发送SYN包（SYN=1, seq=x）进入SYN_SENT状态
2. SYN_RCVD：服务端回复SYN+ACK包（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1）进入SYN_RCVD状态
3. ESTABLISHED：客户端发送ACK包（ACK=1, seq=x+1, ack=y+1）双方进入连接状态

📌 为什么需要三次握手？

• 防止历史重复连接初始化导致的资源浪费
• 同步双方的初始序列号
• 避免资源浪费（防止服务端因无效请求维持连接）

三、TCP四次挥手（连接释放）

客户端 服务端
| |
| FIN=1, seq=u |
|--------------------------------->|
| |
| ACK=1, ack=u+1 |
|<---------------------------------|
| |
| FIN=1, seq=v |
|<---------------------------------|
| |
| ACK=1, seq=u+1, ack=v+1 |
|--------------------------------->|
| |

挥手过程：

1. FIN_WAIT_1：主动方发送FIN包（FIN=1, seq=u）进入FIN_WAIT_1状态
2. CLOSE_WAIT：被动方回复ACK包（ACK=1, ack=u+1）进入CLOSE_WAIT状态
3. FIN_WAIT_2：主动方收到ACK后进入FIN_WAIT_2状态
4. LAST_ACK：被动方发送FIN包（FIN=1, seq=v）进入LAST_ACK状态
5. TIME_WAIT：主动方回复ACK包（ACK=1, seq=u+1, ack=v+1）进入TIME_WAIT状态（等待2MSL）
6. CLOSED：双方最终关闭连接

⚠️ TIME_WAIT状态的作用：

1. 确保最后一个ACK能到达对端
2. 让网络中残留的报文段失效（等待2MSL时间）

四、常见问题解答

Q1: 为什么连接是三次握手而关闭要四次挥手？

A: 因为TCP是全双工的，关闭时需要分别关闭两个方向的数据流。当收到FIN时只表示对方不再发送数据，但本方可能还需要发送剩余数据。

Q2: SYN洪泛攻击是什么？

A: 攻击者伪造大量SYN包但不完成握手，导致服务端维持大量半开连接。防御方法包括SYN Cookie、增加积压队列等。

Q3: TIME_WAIT状态为什么要持续2MSL？

A: MSL是报文最大生存时间。2MSL可以保证：

1. 本方最后一个ACK能到达对端（最多MSL）
2. 如果对端没收到，重传的FIN会在下一个MSL内到达