TCP正常建立和关闭的状态变化

TCP正常建立和关闭的状态变化

 

 

TCP连接的建立可以简单的称为三次握手，而连接的中止则可以叫做四次握手。

 

建立连接

 

在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据，也就是ESTABLISHED状态。 

 

结束连接

    TCP有一个特别的概念叫做half-close，这个概念是说，TCP的连接是全双工（可以同时发送和接收）连接，因此在关闭连接的时候，必须关闭传和送两个方向上的连接。客户机给服务器一个FIN为1 的TCP报文，然后服务器返回给客户端一个确认ACK报文，并且发送一个FIN报文，当客户机回复ACK报文后（四次握手），连接就结束了。

 

 

TCP状态变迁图

 

这是一个看起来比较复杂的状态迁移图，因为它包含了两个部分---服务器的状态迁移和客户端的状态迁移，如果从某一个角度出发来看这个图，就会清晰许多，这里面的服务器和客户端都不是绝对的，发送数据的就是客户端，接受数据的就是服务器。

 

客户端的状态可以用如下的流程来表示：

CLOSED->SYN_SENT->ESTABLISHED->FIN_WAIT_1->FIN_WAIT_2->TIME_WAIT->CLOSED

以上流程是在程序正常的情况下应该有的流程，从书中的图中可以看到，在建立连接时，当客户端收到SYN报文的ACK以后，客户端就打开了数据交互地连接。而结束连接则通常是客户端主动结束的，客户端结束应用程序以后，需要经历FIN_WAIT_1，FIN_WAIT_2等状态，这些状态的迁移就是前面提到的结束连接的四次握手。

 

服务器的状态可以用如下的流程来表示：

CLOSED->LISTEN->SYN_RECV ->ESTABLISHED->CLOSE_WAIT->LAST_ACK->CLOSED

在建立连接的时候，服务器端是在第三次握手之后才进入数据交互状态，而关闭连接则是在关闭连接的第二次握手以后（注意不是第四次）。而关闭以后还要 等待客户端给出最后的ACK包才能进入初始的状态。

 

其他状态迁移

书中的图还有一些其他的状态迁移，这些状态迁移针对服务器和客户端两方面的总结如下

1. LISTEN->SYN_SENT，对于这个解释就很简单了，服务器有时候也要打开连接的嘛。
2. SYN_SENT->SYN收到，服务器和客户端在SYN_SENT状态下如果收到SYN数据报，则都需要发送SYN的ACK数据报并把自己的状态 调整到SYN收到状态，准备进入ESTABLISHED
3. SYN_SENT->CLOSED，在发送超时的情况下，会返回到CLOSED状态。
4. SYN_收到->LISTEN，如果受到RST包，会返回到LISTEN状态。
5. SYN_收到->FIN_WAIT_1，这个迁移是说，可以不用到ESTABLISHED状态，而可以直接跳转到FIN_WAIT_1状态并等待关 闭。

 

2MSL等待状态

书中给的图里面，有一个TIME_WAIT等待状态，这个状态又叫做2MSL状态，说的是主动关闭在FIN_WAIT_2后接收了最后一个ACK数据报以后， 要进入 TIME_WAIT状态，这个状态是防止最后一次握手的数据报没有传送到对方那里而准备的（注意这不是四次握手，这是第四次握手的保险状态）。这个状态在 很大程度上保证了双方都可以正常结束，但是，问题也来了。

由于插口的2MSL状态（插口是IP和端口对的意思，socket），使得应用程序在2MSL时间内是无法再次使用同一个插口的，对于客户程序还好 一些，但是对于服务程序，例如httpd，它总是要使用同一个端口来进行服务，而在 2MSL时间内，启动httpd就会出现错误（插口被使用）。为了避免这个错误，服务器给出了一个平静时间的概念，这是说在2MSL时间内，虽然可以重新 启动服务器，但是这个服务器还是要平静的等待2MSL时间的过去才能进行下一次连接。

 

 

FIN_WAIT_2状态

这就是著名的半关闭的状态了，这是在关闭连接时，客户端和服务器两次握手之后的状态。在这个状态下，应用程序还有接受数据的能力，但是已经无法发送 数据，但是也有一种可能是，客户端一直处于FIN_WAIT_2状态，而服务器则一直处于WAIT_CLOSE状态，而直到应用层来决定关闭这个状态。

 

RST，同时打开和同时关闭

RST是另一种关闭连接的方式，应用程序应该可以判断RST包的真实性，即是否为异常中止。而同时打开和同时关闭则是两种特殊的TCP状态，发生的 概率很小。

补充细节：
关于四次握手，我补充下细节：
1. 默认情况下(不改变socket选项)，当你调用close( or closesocket，以下说close不再重复)时，如果发送缓冲中还有数据，TCP 会继续把数据发送完。
2. 发送了FIN只是表示这端不能继续发送数据(应用层不能再调用send发送)，但是还可以接收数据。
3. 应用层如何知道对端关闭？通常，在最简单的阻塞模型中，当你调用recv时，如果返回0，则表示对端关闭。在这个时候通常的做法就是也调用close，那么TCP 层就发送FIN，继续完成四次握手。如果你不调用close，那么对端就会处于FIN_WAIT_2状态，而本端则会处于CLOSE_WAIT状态。这个可以写代码试试。
4. 在很多时候，TCP连接的断开都会由TCP层自动进行，例如你CTRL+C终止你的程序，TCP 连接依然会正常关闭，你可以写代码试试。

特别的TIME_WAIT状态：
从以上TCP 连接关闭的状态转换图可以看出，主动关闭的一方在发送完对对方FIN报文的确认(ACK)报文后，会进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态也称为2MSL状态。
什么是2MSL？MSL即Maximum Segment Lifetime，也就是报文最大生存时间，引用中的话：“它(MSL)是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。”那么，2MSL也就是这个时间的2倍。其实我觉得没必要把这个MSL的确切含义搞明白，你所需要明白的是，当TCP 连接完成四个报文段的交换时，主动关闭的一方将继续等待一定时间(2-4分钟)，即使两端的应用程序结束。你可以写代码试试，然后用netstat查看下。

为什么需要2MSL？根据和中的说法，有两个原因：
其一，保证发送的ACK会成功发送到对方，如何保证？我觉得可能是通过超时计时器发送。这个就很难用代码演示了。
其二，报文可能会被混淆，意思是说，其他时候的连接可能会被当作本次的连接。直接引用的说法：
The second is to provide a “buffering period” between the end of this connection and any subsequent ones. If not for this period, it is possible that packets from different connections could be mixed, creating confusion.

TIME_WAIT状态所带来的影响：
当某个连接的一端处于TIME_WAIT状态时，该连接将不能再被使用。事实上，对于我们比较有现实意义的是，这个端口将不能再被使用。某个端口处于TIME_WAIT状态(其实应该是这个连接)时，这意味着这个 TCP连接并没有断开(完全断开)，那么，如果你bind这个端口，就会失败。
对于服务器而言，如果服务器突然crash掉了，那么它将无法再2MSL内重新启动，因为bind会失败。解决这个问题的一个方法就是设置socket的SO_REUSEADDR选项。这个选项意味着你可以重用一个地址。

对于TIME_WAIT的插曲：
当建立一个TCP 连接时，服务器端会继续用原有端口监听，同时用这个端口与客户端通信。而客户端默认情况下会使用一个随机端口与服务器端的监听端口通信。有时候，为了服务器端的安全性，我们需要对客户端进行验证，即限定某个IP某个特定端口的客户端。客户端可以使用bind来使用特定的端口。

对于服务器端，当设置了SO_REUSEADDR选项时，它可以在2MSL内启动并listen成功。但是对于客户端，当使用bind并设置SO_REUSEADDR时，如果在2MSL内启动，虽然bind会成功，但是在windows平台上connect会失败。
而在linux上则不存在这个问题。(我的实验平台：winxp, ubuntu7.10)

要解决windows平台的这个问题，可以设置SO_LINGER选项。SO_LINGER选项决定调用close时，TCP 的行为。
SO_LINGER涉及到linger结构体，如果设置结构体中l_onoff为非0，l_linger为0，那么调用close时TCP 连接会立刻断开，TCP 不会将发送缓冲中未发送的数据发送，而是立即发送一个RST报文给对方，这个时候TCP 连接就不会进入TIME_WAIT状态。
如你所见，这样做虽然解决了问题，但是并不安全。通过以上方式设置SO_LINGER状态，等同于设置SO_DONTLINGER状态。

断开连接时的意外：
这个算不上断开连接时的意外，当TCP 连接发生一些物理上的意外情况时，例如网线断开，linux上的TCP 实现会依然认为该连接有效，而windows则会在一定时间后返回错误信息。
这似乎可以通过设置SO_KEEPALIVE选项来解决，不过不知道这个选项是否对于所有平台都有效。