TCP協議詳解：首部格式與連接管理

一、TCP首部格式

TCP首部最小20字節，最大60字節，包含以下字段：
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 源端口號(16bit) | 目的端口號(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 序列號(32bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 確認號(32bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 數據偏移(4bit)| 保留(6bit) |U|A|P|R|S|F| 窗口大小(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 校驗和(16bit) | 緊急指針(16bit) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 選項(可選，最多40字節) |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+
| 數據部分 |
±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±±+

關鍵字段說明：

• 源/目的端口：各占2字節，標識發送方和接收方的應用進程
• 序列號/確認號：各占4字節，用于可靠傳輸
• 控制標志位：
  • URG：緊急指針有效
  • ACK：確認號有效
  • PSH：接收方應盡快交付應用層
  • RST：連接復位
  • SYN：同步序列號（連接建立）
  • FIN：發送方數據發送完畢（連接釋放）

二、TCP三次握手（連接建立）

客戶端 服務端
| |
| SYN=1, seq=x |
|--------------------------------->|
| |
| SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 |
|<---------------------------------|
| |
| ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 |
|--------------------------------->|
| |

握手過程：

1. SYN_SENT：客戶端發送SYN包（SYN=1, seq=x）進入SYN_SENT狀態
2. SYN_RCVD：服務端回復SYN+ACK包（SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1）進入SYN_RCVD狀態
3. ESTABLISHED：客戶端發送ACK包（ACK=1, seq=x+1, ack=y+1）雙方進入連接狀態

📌 為什么需要三次握手？

• 防止歷史重復連接初始化導致的資源浪費
• 同步雙方的初始序列號
• 避免資源浪費（防止服務端因無效請求維持連接）

三、TCP四次揮手（連接釋放）

客戶端 服務端
| |
| FIN=1, seq=u |
|--------------------------------->|
| |
| ACK=1, ack=u+1 |
|<---------------------------------|
| |
| FIN=1, seq=v |
|<---------------------------------|
| |
| ACK=1, seq=u+1, ack=v+1 |
|--------------------------------->|
| |

揮手過程：

1. FIN_WAIT_1：主動方發送FIN包（FIN=1, seq=u）進入FIN_WAIT_1狀態
2. CLOSE_WAIT：被動方回復ACK包（ACK=1, ack=u+1）進入CLOSE_WAIT狀態
3. FIN_WAIT_2：主動方收到ACK后進入FIN_WAIT_2狀態
4. LAST_ACK：被動方發送FIN包（FIN=1, seq=v）進入LAST_ACK狀態
5. TIME_WAIT：主動方回復ACK包（ACK=1, seq=u+1, ack=v+1）進入TIME_WAIT狀態（等待2MSL）
6. CLOSED：雙方最終關閉連接

?? TIME_WAIT狀態的作用：

1. 確保最后一個ACK能到達對端
2. 讓網絡中殘留的報文段失效（等待2MSL時間）

四、常見問題解答

Q1: 為什么連接是三次握手而關閉要四次揮手？

A: 因為TCP是全雙工的，關閉時需要分別關閉兩個方向的數據流。當收到FIN時只表示對方不再發送數據，但本方可能還需要發送剩余數據。

Q2: SYN洪泛攻擊是什么？

A: 攻擊者偽造大量SYN包但不完成握手，導致服務端維持大量半開連接。防御方法包括SYN Cookie、增加積壓隊列等。

Q3: TIME_WAIT狀態為什么要持續2MSL？

A: MSL是報文最大生存時間。2MSL可以保證：

1. 本方最后一個ACK能到達對端（最多MSL）
2. 如果對端沒收到，重傳的FIN會在下一個MSL內到達