奔袭三千里
由于陈汤矫诏出兵，后世很多人都称他为一“赌徒”。其实，军事行动本身常常与高风险性相伴，关键是看风险能否与价值相权衡。从军事学的角度来看，陈汤的冒险远征颇有可取之处：
第一，缩短距离。康居相对于汉朝的远距离地理优势，曾是郅支单于引以为恃的天然优势，但在陈汤矫诏发兵的突击决策面前则大打折扣：从乌垒到康居的距离较之从长安到康居的万里之遥，一下子少了一大半，使得快速奔袭北匈奴成为可能，作战成功系数大大提高。
第二，把握战机。《孙子兵法·计篇》有云：“攻其无备，出其不意。此兵家之胜，不可先传也。”陈汤远程突袭的最大胜算，就在于郅支单于不相信汉朝会万里迢迢派军来打他（麦克阿瑟选择在仁川登陆也是这个道理）。只要及时把握住这个时机，趁着对手心理上的猝不及防，兵锋直指其城下，北匈奴游牧民族的机动性优势就丧失了发挥的机会，郅支恐怕连逃跑都来不及。
第三，人和于战。陈汤矫诏发兵，所征集的“多国部队”或为屯田汉军，或为西域诸国兵马，他们对于远征地理行程和北匈奴作战特点的了解，都远远超过从中原地区调来的汉军，利于行军作战。
同时，四万之众的汉胡合兵，不仅形成了对敌兵力数量优势，还有利于形成“汉领诸国伐郅支不义”的政治优势，师出有名，义正词严。在这项制胜因素的背后，是西汉时代成功的屯田制度和西域都护制度，它们为汉军的远征提供了最佳的兵员配置。司以说，陈汤最大限度地发挥了己方的制度优势：平战结合，就近发兵，完全出乎郅支单于之预料。
公元前36年冬，在郅支杀害汉使、远遁康居八年后，大汉王朝西域都护、骑都尉甘延寿、副校尉陈汤统率四万汉胡大军向康居挺进。大军分成六路纵队，其中三路纵队沿南道（今塔里木盆地南边缘）越过葱岭（今帕米尔高原），穿过大宛王国；另三路纵队，由北道（今塔里木盆地北边缘）经乌孙王国首都赤谷城，横穿乌孙王国，进入康居王国边界，挺进到阗池（今中亚伊赛克湖）西岸。沿途击溃敌军抢掠部队，安抚受惊小国，探听对手虚实。进入康居国境东部后，陈汤表现出了非常成熟的战时政工经验：下令严守纪律，不准烧杀抢掠，并与当地的康居首领饮酒为盟，谕以威信。当地的康居人怨恨郅支单于的残暴，把城内匈奴人的实情告知给陈汤。在康居向导的指引下，汉胡联军势如破竹，距单于城30里外扎营。
当陈汤的“多国部队”从天而降般地出现在眼皮底下时，郅支单于似乎仍蒙在鼓里。他所表现出的茫然、慌乱和无措，与先前的狡诈、强硬形成了鲜明对比。面对大军压境，他遣使来问：“汉兵来这里干什么？”汉军的回答十分有趣：“单于您曾上书言居困厄，愿归顺强汉，身入朝觐。天子可怜您放弃大国，屈居康居，故使都护将军来迎。”双方就这样一问一答，交涉了好几通外交辞令，最终汉方不耐烦了， 下达最后通牒：“我们兵来道远，人困马乏，粮食也不多了，叫贵单于和大臣快拿个主意罢。”战争的火药味终于弥漫开来。
战幕随即正式拉开，联军挺进到都赖水（今哈萨克斯坦塔拉斯河）畔，距敌城三里处扎阵。只见单于城上五色旗帜迎风飘扬，数百人披甲戒备城上，百余骑在城下来往驰骋，城门口还有百余步兵摆成鱼鳞阵，操练演习,以耀兵威。城上守军向联军大声挑战：“有种的过来！”面对郅支单于的疑兵架势，甘延寿、陈汤指挥下的汉胡联军严阵以待,沉着应对。当百余名匈奴骑兵直冲汉军营垒而来时，汉营军士“皆张弩持满指之”，敌骑迅速引退。随后，汉军强弓部队出营，射击城门外操练的匈奴步、骑兵，被攻击者立时丧胆，撤回城内，紧闭城门。
见敌胆怯，甘延寿、陈汤下达了总攻命令。在阵阵令大地都震颤的战鼓声中，联军开始攻击，弓箭如瓢泼大雨般射向城楼。单于城是一座土城，其外另有两层坚固的木城。匈奴人顽强抵抗，从木城栅格里向外放箭，同联军展开激烈对射。此刻，郅支单于作困兽犹斗状，全身披甲亲自在城楼上指挥作战。他的数十位妻妾也都用弓箭反击，遏阻联军攻势。
4万对3000的战场优势十分明显，即便单于亲临战场，也并未给战斗带来任何转折。在联军矢发如雨中，匈奴守军渐被压制，不能立足，郅支单于也被一箭正中鼻子，受创甚巨，被迫撤回城内，其妻妾多人中箭死亡，木城上的匈奴守军溃败，联军趁机纵火焚烧。入夜，数百骑匈奴禁不住大火灼烧，趁黑夜突围，遭到迎头射杀，箭如雨下，全部被歼。
午夜过后，木城全毁，匈奴守军退入土城死守，联军破城在望，双方进入战争的关键时刻。正当此时，一万多名康居骑兵突然出现在战场上，他们分成10余队，每队1000余人，奔驰号叫，跟城上的匈奴守军互相呼应，对汉军作反包围态势，并趁天黑向联军阵地进攻。陷入两面作战的联军攻防有序，面对康居骑兵多次冲击，阵地岿然不动。
黎明时分，单于城四面火起，联军士气大振，大喊登城，锣声、鼓声、喊杀声惊天动地。汉军举盾堆土，破城而入，城外康居兵见势不好，迅速逃遁。郅支单于抵挡不住，率领百余人且战且退，到王宫中负隅顽抗。汉军借助火攻勇猛进击，一举格杀郅支单于，斩首成功。此战共斩单于阏氏、太子、名王以下1500多人，生俘145人，投降者100多人。
公元前35年正月，北匈奴郅支单于的人头被快马送至汉朝首都长安，谷吉等人在九泉下可以瞑目了。
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