TCP首部格式及三次握手四次挥手

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
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