TCP协议知识点
一、基础概念与设计哲学
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协议定位与历史
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RFC 793（1981年首次定义），后续多个RFC扩展
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传输层核心协议，位于IP层之上，应用层之下
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面向连接：通信前需建立逻辑连接
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可靠交付：无差错、不丢失、不重复、按序到达
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字节流服务：无消息边界，与应用层报文分段/重组相关
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核心服务特性
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全双工通信：同一连接双向数据流
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流量控制：接收方控制发送速率
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拥塞控制：网络拥塞时调整发送速率
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多路复用/解复用：通过端口号区分不同应用
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二、报文格式详解（20-60字节）
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 源端口 (16位) | 目的端口 (16位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 序列号 (32位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 确认号 (32位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 数据偏移 | 保留 | 控制标志位 | 窗口大小 |
| (4位) | (6位)| UAPRSF (6位)| (16位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 校验和 (16位) | 紧急指针 (16位) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 选项和填充 (变长，0-40字节) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 数据 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+关键字段详解：
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序列号（Sequence Number）：本报文段第一个字节的编号，初始值（ISN）随机生成
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确认号（Acknowledgment Number）：期望收到的下一个字节序号，表示之前所有数据已接收
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数据偏移：头部长度，单位4字节，最小5（20字节），最大15（60字节）
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控制标志位（6位）：
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URG：紧急指针有效（很少使用）
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ACK：确认号有效（建立连接后所有报文必须设置）
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PSH：推送功能，接收方应立即交付数据
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RST：重置连接，异常终止
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SYN：同步序列号，用于建立连接
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FIN：结束连接，释放资源
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窗口大小：接收窗口大小，用于流量控制，最大65535字节（可通过窗口缩放扩展）
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紧急指针：URG=1时有效，指示紧急数据结束位置
三、连接管理完整状态机
1. 完整的三次握手过程
客户端状态迁移：CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED
服务器状态迁移：CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED
详细过程：
1. 客户端发送 SYN=1, seq=J
客户端：CLOSED → SYN_SENT
2. 服务器响应 SYN=1, ACK=1, seq=K, ack=J+1
服务器：LISTEN → SYN_RCVD
3. 客户端发送 ACK=1, seq=J+1, ack=K+1
客户端：SYN_SENT → ESTABLISHED
服务器：SYN_RCVD → ESTABLISHED2. 完整的四次挥手过程（含所有中间状态）
主动关闭方A，被动关闭方B：
1. A → FIN=1, seq=u → B
A状态：ESTABLISHED → FIN_WAIT_1
2. B → ACK=1, seq=v, ack=u+1 → A
B状态：ESTABLISHED → CLOSE_WAIT
A状态：FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 （如果只有ACK）
3. B → FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 → A
B状态：CLOSE_WAIT → LAST_ACK
4. A → ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 → B
A状态：FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT （等待2MSL）
B状态：LAST_ACK → CLOSED3. TCP状态机完整图谱
+---------+
| CLOSED |
+---------+
| ^
被动打开 | | 主动打开
| |
v |
+---------+ SYN +---------+
| LISTEN |<---------------| SYN_SENT|
+---------+ +---------+
| | ^
| 接收SYN | | 发送SYN
| | |
v v |
+---------+ SYN+ACK +---------+
|SYN_RCVD|<-------------->|ESTABLISHED|
+---------+ +---------+
| | ^
| 关闭 | | 关闭
| 发送FIN | | 接收FIN
v v |
+---------+ +---------+
|FIN_WAIT_1| | CLOSE_WAIT|
+---------+ +---------+
| | ^
| 接收ACK | | 关闭
| | | 发送FIN
v v |
+---------+ +---------+
|FIN_WAIT_2| | LAST_ACK|
+---------+ +---------+
| | ^
| 接收FIN | | 接收ACK
| 发送ACK | |
v v |
+---------+ +---------+
| TIME_WAIT|-------------->| CLOSED |
+---------+ (2MSL超时) +---------+4. 特殊状态详解
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FIN_WAIT_1：主动关闭方发送FIN后等待ACK
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FIN_WAIT_2：收到对FIN的ACK，等待对方的FIN
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CLOSING ：双方同时关闭的特殊状态
A → FIN → B (A进入FIN_WAIT_1) B → FIN → A (B进入CLOSING) // 几乎同时发送FIN A → ACK → B (A进入TIME_WAIT) B → ACK → A (B进入CLOSED) -
CLOSE_WAIT：被动关闭方收到FIN，等待应用层关闭
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LAST_ACK：被动关闭方发送FIN后等待ACK
-
TIME_WAIT：
-
持续时间：2MSL（Maximum Segment Lifetime，通常2分钟）
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作用1：确保最后的ACK能被重传
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作用2：让旧连接的报文在网络中消失，防止混淆
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问题：服务器大量TIME_WAIT影响性能
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解决方案：SO_REUSEADDR套接字选项
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四、可靠性机制深度解析
1. 序列号与确认机制
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初始序列号（ISN）选择：基于时钟的随机算法，防止预测攻击
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累积确认：ACK=n表示已收到n-1及之前的所有字节
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选择性确认（SACK）：
-
TCP选项字段，RFC 2018定义
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格式：Kind=5, Length, Left Edge, Right Edge
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允许接收方通知发送方非连续接收的数据块
接收数据：1-1000, 1501-2000, 2501-3000 SACK信息：[1501-2000], [2501-3000] -
2. 超时重传机制
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RTT测量：
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SRTT（平滑RTT）：SRTT = α × SRTT + (1-α) × RTT_sample
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RTTVAR（RTT变化）：RTTVAR = β × RTTVAR + (1-β) × |SRTT - RTT_sample|
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-
RTO计算：RTO = SRTT + 4 × RTTVAR
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Karn算法：重传时不更新RTT估计（避免重传歧义）
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时间戳选项：精确测量RTT，即使重传也能准确测量
3. 快速重传与快速恢复
触发条件：收到3个重复ACK（dup ACK）
过程：
1. 设置ssthresh = max(FlightSize/2, 2×MSS)
2. 重传丢失报文
3. 设置cwnd = ssthresh + 3×MSS（每个dup ACK表示一个报文离开网络）
4. 每收到一个额外dup ACK，cwnd增加1 MSS
5. 收到新数据的ACK，设置cwnd = ssthresh五、流量控制：滑动窗口详解
1. 窗口结构
发送方维护：
+---------------------------------------------------+
| 已发送已确认 | 已发送未确认 | 可发送 | 不允许发送 |
+---------------------------------------------------+
^ ^ ^
LastByteAcked LastByteSent LastByteAcked + rwnd
接收方维护：
+---------------------------------------------------+
| 已接收已确认 | 可接收 | 不允许接收（窗口外） |
+---------------------------------------------------+
^ ^
NextByteExpected NextByteExpected + rwnd2. 零窗口问题与解决
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零窗口探测（ZWP）：
-
接收方窗口为0时，发送方发送1字节探测报文
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使用持久计时器（persist timer），指数退避重试
-
-
糊涂窗口综合征（SWS）：
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问题：发送小数据，接收方通告小窗口
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解决方案：
-
接收方：窗口增大到MSS或缓冲区一半时才通告
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发送方：使用Nagle算法或等待足够数据
-
-
3. 窗口缩放选项（Window Scaling）
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RFC 1323定义，用于长肥管道（LFN）
-
选项格式：Kind=3, Length=3, Shift count
-
实际窗口 = 通告窗口 × 2^(shift count)
-
最大窗口可达1GB（理论值）
六、拥塞控制完整算法体系
1. 标准TCP Reno算法
状态变量：
- cwnd: 拥塞窗口（报文段数）
- ssthresh: 慢启动阈值
- dupACKcount: 重复ACK计数器
四个核心阶段：
1. 慢启动（Slow Start）: cwnd指数增长（每RTT翻倍）
cwnd += MSS × (ACK确认的字节数/cwnd)
2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）: cwnd线性增长
cwnd += MSS × (MSS/cwnd) // 每RTT增加1 MSS
3. 快速重传（Fast Retransmit）: 收到3个dup ACK
4. 快速恢复（Fast Recovery）: 临时维护数据流2. 主要变体算法对比
| 算法 | 发明时间 | 核心改进 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| TCP Tahoe | 1988 | 基本算法 | 已淘汰 |
| TCP Reno | 1990 | 快速恢复 | 标准实现 |
| TCP NewReno | 1999 | 改进快速恢复 | 多个丢包场景 |
| TCP BBR | 2016 | 基于瓶颈带宽和RTT | 高带宽长延迟 |
| TCP CUBIC | 2008 | 三次函数增长 | 默认Linux算法 |
| TCP Vegas | 1994 | 基于延迟预测 | 研究用途 |
3. CUBIC算法详解（Linux默认）
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CUBIC使用函数：W(t) = C×(t-K)³ + W_max
其中：
- W_max: 丢包时的窗口大小
- K: 达到W_max所需时间，K = ³√(W_max×β/C)
- C: 缩放因子，默认0.4
- β: 乘性减小因子，默认0.7
特点：
- 在远离W_max时快速增长（凹函数）
- 接近W_max时缓慢增长（凸函数）
- 独立于RTT，公平性更好4. BBR算法原理
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BBR v1/v2核心状态机：
- STARTUP: 指数增长寻找BDP（带宽×延迟积）
- DRAIN: 排空STARTUP创建的队列
- PROBE_BW: 周期性地探测（+25%, -25%, 维持）
- PROBE_RTT: 每10秒降低速率测量最小RTT
关键指标：
- BtlBw: 瓶颈带宽（最近10个RTT的最大交付率）
- RTprop: 往返传播延迟（最近10秒的最小RTT）
- BDP: BtlBw × RTprop（最优飞行数据量）七、TCP选项全面解析
1. 选项格式与类型
text
单个选项格式：
Kind (1字节) | Length (1字节) | Data (变长)
重要选项：
1. MSS（Maximum Segment Size）: Kind=2, Length=4
- 声明本端能接收的最大报文段
- 默认536字节（IPv4），1220字节（IPv6）
2. 窗口缩放（Window Scale）: Kind=3, Length=3
- 只在SYN报文中有效
- shift值0-14，窗口最大1GB
3. SACK允许（SACK-Permitted）: Kind=4, Length=2
- 握手时协商，后续报文可用SACK选项
4. SACK信息（SACK）: Kind=5, Length=变长
- 每个SACK块8字节（左右边界各4字节）
5. 时间戳（Timestamps）: Kind=8, Length=10
- TSval: 发送时间戳
- TSecr: 回显时间戳
- 作用：精确RTT测量、PAWS防序号回绕
6. NOP（No-Operation）: Kind=1
- 选项对齐填充
7. EOL（End of Option List）: Kind=0
- 选项列表结束2. 时间戳选项的PAWS机制
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序号回绕问题：32位序号在10Gbps链路上34秒回绕
PAWS（Protection Against Wrapped Sequences）：
- 使用时间戳作为扩展序号
- 规则：如果TSval < 最近的有效时间戳，则丢弃报文
- 时间戳单调递增（即使系统时钟跳变）八、高级特性与优化技术
1. 保活机制（Keepalive）
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参数（Linux默认值）：
- tcp_keepalive_time = 7200秒（2小时）
- tcp_keepalive_intvl = 75秒
- tcp_keepalive_probes = 9次
工作流程：
1. 连接空闲2小时后，发送保活探测
2. 每75秒重试，最多9次
3. 总超时：2小时 + 75秒×9 ≈ 2小时11分2. Nagle算法与Corking
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Nagle算法规则：
IF 有未确认数据
THEN 缓存小数据直到收到ACK
ELSE
立即发送
禁用：TCP_NODELAY选项
Linux扩展：TCP_CORK选项
- 类似Nagle，但由应用层控制
- 适合HTTP响应头+体的批量发送3. 延迟确认（Delayed ACK）
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规则：
1. 每两个完整报文段确认一次
2. 最长延迟200ms（Linux默认40ms）
3. 有数据要发送时捎带确认
4. 广播/多播时不使用
优化：TCP_QUICKACK选项可禁用4. 路径MTU发现（PMTUD）
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过程：
1. 设置DF（Don't Fragment）标志
2. 发送大报文
3. 收到ICMP "Fragmentation Needed"错误
4. 减小MSS，更新路由缓存
问题：ICMP被防火墙过滤导致黑洞
解决方案：PLPMTUD（Packetization Layer Path MTU Discovery）九、缓冲区管理与性能调优
1. 缓冲区大小计算
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理论最优值：带宽延迟积（BDP）
BDP（字节）= 带宽（bps）× RTT（秒）/ 8
实际设置：
# Linux系统参数
net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 6291456 # 最小 默认 最大
net.ipv4.tcp_wmem = 4096 16384 4194304
net.core.rmem_max = 6291456
net.core.wmem_max = 4194304
# 自动调整缓冲区（默认启用）
net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf = 12. 内存压力与公平性
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压力状态：系统内存不足时缩减缓冲区
-
公平排队：相同RTT的流应获得相等带宽
-
RTT不公平性：标准TCP对长RTT连接不公平
十、异常处理与安全
1. 连接复位（RST）
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发送RST的场景：
1. 到不存在的端口的连接请求
2. 异常终止连接
3. 半开连接检测（收到已关闭连接的报文）
4. 收到无效序列号的报文
RST报文：不需要ACK确认2. SYN Flood攻击防御
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攻击原理：伪造大量SYN不完成握手
防御机制：
1. SYN Cookie（Linux默认）：
- 编码MSS、序列号到SYN-ACK的序列号
- 不分配连接资源直到收到ACK
2. SYN Cache：哈希表存储半开连接
3. SYN Proxy：代理完成握手后再与后端建立3. 序列号随机化
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早期问题：可预测序列号导致连接劫持
解决方案（RFC 1948）：
ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport, secret)
其中M为单调递增计数器，F为哈希函数十一、TCP扩展与替代协议
1. Multipath TCP（MPTCP）
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特性：
- 单个连接使用多个路径
- 向后兼容（对应用透明）
- 子流管理、调度、拥塞控制
应用场景：蜂窝/Wi-Fi切换、数据中心多路径2. TCP Fast Open（TFO）
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目标：减少握手延迟
过程：
1. 首次连接获取TFO Cookie
2. 后续连接SYN携带数据和Cookie
3. 服务器验证Cookie，立即响应数据
限制：仅适用于幂等请求（如HTTP GET）3. QUIC（基于UDP的替代）
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相比TCP优势：
- 0-RTT连接建立
- 改进的拥塞控制
- 无队头阻塞的多路复用
- 内置加密（TLS 1.3）
- 连接迁移支持十二、性能监控与诊断
1. 关键性能指标（KPI）
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# 使用ss -it命令查看
1. 发送/接收窗口
2. RTT/RTTVAR
3. 拥塞窗口（cwnd）
4. 慢启动阈值（ssthresh）
5. 重传超时（rto）
6. 未确认字节数（unacked）
7. 丢失恢复状态（lost）2. 网络诊断工具链
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1. 连接状态：netstat -ant, ss -s
2. 抓包分析：tcpdump, Wireshark
3. 流量监控：iftop, nethogs
4. 带宽测试：iperf3, netperf
5. 延迟分析：tcptraceroute, mtr
6. 缓冲区监控：ip -s link3. Wireshark过滤与分析
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关键过滤器：
- tcp.analysis.flags：分析标志位
- tcp.analysis.retransmission：重传报文
- tcp.analysis.zero_window：零窗口事件
- tcp.analysis.window_update：窗口更新
- tcp.analysis.duplicate_ack：重复ACK
专家信息：
- 重复ACK编号
- 乱序报文
- 窗口冻结十三、操作系统实现差异
1. Linux vs Windows TCP实现
| 特性 | Linux | Windows |
|---|---|---|
| 默认拥塞控制 | CUBIC | CTCP（Vista+） |
| 初始窗口 | 10 MSS | 10 MSS（不同版本变化） |
| 延迟ACK时间 | 40ms | 200ms |
| TIME_WAIT回收 | SO_REUSEADDR | 快速回收选项 |
| 缓冲区自动调整 | 默认开启 | 需要手动优化 |
2. 内核参数调优示例
bash
# Linux生产环境调优示例
# 缓冲区设置
echo "net.core.rmem_max = 134217728" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.core.wmem_max = 134217728" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.tcp_rmem = 4096 87380 134217728" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.tcp_wmem = 4096 87380 134217728" >> /etc/sysctl.conf
# 拥塞控制
echo "net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr" >> /etc/sysctl.conf
# 连接管理
echo "net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1" >> /etc/sysctl.conf
echo "net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30" >> /etc/sysctl.conf
# 启用TFO（TCP Fast Open）
echo "net.ipv4.tcp_fastopen = 3" >> /etc/sysctl.conf