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tags: [计算机网络, TCP, 状态机, 三次握手, 四次挥手]
create time: 2026-05-18 01:30
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# TCP 段结构与状态机

## 概述

TCP（Transmission Control Protocol）是互联网最核心的可靠传输协议。理解其段结构和完整状态机，是排查线上网络问题的基本功。

## TCP 首部格式（32-bit fields）

```
┌─────────────┬─────────────┬───────────────────┐
│ Source Port │ Destination Port│    Sequence No    │
│   2 bytes   │    2 bytes    │      4 bytes      │
├─────────────┼───────────────┤                   │
│   Ack No    │ Data Offset | Reserved│ECN│ CWR│ ACK │ PSH │ RST │ SYN │ FIN │
│   4 bytes   │ 4bits  │   3 bits          │     │     │     │     │     │
├─────────────┴─────────────┴───────────────────┤
│              Window Size                      │
│                2 bytes                        │
├───────────────────┬───────────────────────────┤
│    Checksum       │    Urgent Pointer         │
│      2 bytes      │        2 bytes            │
├───────────────────┴───────────────────────────┤
│                    Options (variable)           │
│              Max: 40 bytes                     │
└───────────────────────────────────────────────┘
Minimum header: 20 bytes
Maximum header: 60 bytes (with options)
```

### 关键字段详解

| 字段 | 大小 | 说明 |
|------|------|------|
| **Source/Dest Port** | 各 2B | 源端口和目的端口 |
| **Sequence Number** | 4B | 本报文第一个字节的序号（32 bit，约 4GB） |
| **Acknowledgment Number** | 4B | 期望收到的下一个字节序号（ACK=1 时有效） |
| **Data Offset** | 4 bit | 首部长度，单位 4 bytes（最小 5 = 20B，最大 F = 60B） |
| **Reserved** | 3 bit | 保留字段，必须为 0 |
| **ECN** | 2 bit | ECN-Echo + CWR：显式拥塞通知 |
| **URG** | 1 bit | 紧急指针有效 |
| **ACK** | 1 bit | 确认号有效（除首次 SYN 外几乎所有包都设 ACK=1） |
| **PSH** | 1 bit | 推送标志，告诉接收端立即提交应用层 |
| **RST** | 1 bit | 复位连接（异常关闭） |
| **SYN** | 1 bit | 同步序列号（建立连接） |
| **FIN** | 1 bit | 结束标志（优雅关闭） |
| **Window Size** | 2B | 接收窗口大小，流量控制基础 |
| **Checksum** | 2B | 覆盖首部 + 数据的 CRC |
| **Urgent Pointer** | 2B | URG=1 时偏移量，指示紧急数据位置 |

### 常用 TCP Options

| Option | 大小 | 说明 |
|--------|------|------|
| NOP | 1B | No Operation，用于填充对齐 |
| MSS | 4B | Maximum Segment Size，通常 1460（1500-MT-20IP） |
| Window Scale | 4B | 扩大窗口因子（2^x倍，最大 14 = 16384 倍） |
| SACK Perm / SACK | 可变 | Selective Acknowledgment，选择性确认 |
| Timestamps | 10B | TSval + TSecr，RTT 测量和防回绕 |

## TCP 状态机——完整图

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> CLOSED
    
    note right of CLOSED
        TCP 不活跃状态
        只有监听套接字在此
    end note
    
    CLOSED --> LISTEN: socket() + listen()
    
    LISTEN --> SYN_RCVD: 收到 SYN (server only)
    LISTEN --> ESTABLISHED: connect() + remote SYN-ACK (client side rare)
    
    note right of SYN_SENT
        client sent SYN
        waiting for SYN-ACK
    end note
    
    SYN_RCVD --> ESTABLISHED: 3-Way Handshake Complete
    SYN_SENT --> ESTABLISHED: Got SYN-ACK
    
    ESTABLISHED --> CLOSE_WAIT: Application calls close()
    ESTABLISHED --> FIN_WAIT_1: Remote sends FIN
    
    FIN_WAIT_1 --> FIN_WAIT_2: Local ACK received
    FIN_WAIT_1 --> CLOSING: Simultaneous close
    
    FIN_WAIT_2 --> TIME_WAIT: Remote FIN received
    
    CLOSING --> TIME_WAIT: Remote ACK received
    
    CLOSE_WAIT --> LAST_ACK: Local application close
    LAST_ACK --> CLOSED: Final ACK received
    TIME_WAIT --> CLOSED: 2 * MSL timeout
    
    note right of TIME_WAIT
        Must wait 2*MSL
        Ensures final ACK arrives
        Prevents old duplicate packets
    end note
    
    note right of CLOSE_WAIT
        Server side closing
        Application must call close()
    end note
```

### 所有 11 种状态一览

| # | 状态 | 触发条件 | 谁处于？ |
|---|------|---------|---------|
| 1 | CLOSED | 初始/终止 | 双方初始状态 |
| 2 | LISTEN | `listen()` 系统调用 | 服务端 |
| 3 | SYN_SENT | `connect()` 发出 SYN | 客户端 |
| 4 | SYN_RCVD | 收到 SYN | 服务端 |
| 5 | ESTABLISHED | 三次握手完成 | 双方 |
| 6 | FIN_WAIT_1 | 本地调用 close() | 主动关闭方 |
| 7 | FIN_WAIT_2 | FIN_WAIT_1 的 ACK 到达 | 主动关闭方 |
| 8 | CLOSE_WAIT | 收到远程 FIN | **被动关闭方**（服务器！）|
| 9 | CLOSING | 同时关闭 | 极少见 |
| 10 | LAST_ACK | 本地发送最后一个 FIN | 被动关闭方 |
| 11 | TIME_WAIT | 发送完最后一个 ACK | 主动关闭方 |

> [!tip] 哪些状态是你最常看到的？
> - **ESTABLISHED**: 正常工作
> - **TIME_WAIT**: 高频短连接的服务端（如 nginx、API 网关）
> - **CLOSE_WAIT**: ⚠️ **应用 Bug！** 说明服务器收到了客户端的关闭请求但没调用 close()

### CLOSE_WAIT 堆积排查

```bash
# 查看 CLOSE_WAIT 数量
$ ss -tan state close-wait | wc -l
4521

# 是谁引起的？查进程
$ ss -tan state close-wait src :80
State      Recv-Q Send-Q      Local Address:Port        Peer Address:Port Process
CLOSE-WAIT 0      0               10.0.0.1:80             203.0.113.5:45678 app=nginx(1234)

# 解决方案: 修复代码中未正确关闭的文件描述符/HTTP连接
```

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/TCP三次握手与四次挥手]] — 详细解析握手/挥手过程
- [[hhs/NETWORK/TCP可靠传输机制]] — 序列号/确认号的深入讲解
- [[hhs/NETWORK/TCP拥塞控制]] — TCP 窗口的动态管理