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

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

# 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
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6.2 KiB Raw Blame History Unescape Escape

TCP 段结构与状态机

概述

TCP 首部格式（32-bit fields）

关键字段详解

常用 TCP Options

TCP 状态机——完整图

所有 11 种状态一览

CLOSE_WAIT 堆积排查

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