服务器TCP连接的状态与并发性的探究

 最近在研究学习服务器并发性方面的相关资料，运维工程师在探讨服务器并发性时就不可避免的需要了解和掌握TCP/IP协议相关的知识。比如我们会经常使用命令netstat查看服务器并发情况时但是运维人员对tcp的返回状态了解多少，我们又是该怎样计算当前服务器并发数量？所以作为运维工程师有必要深入了解tcp相关协议的实现原理和机制。废话不说了，还是聊一聊今天的正题吧

一、TCP与服务器并发的关系

TCP是一个面向连接的协议TCP连接的建立需要三次握手，而连接的中止则需要四次握手。应用层通过TCP协议栈进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务（其实在实际应用中我们只需通过源主机的IP和端口号码区别出不同的会话）。这也就是为什么各种TCP服务器都有一个最大连接数限制的原因。

二、TCP可能存在的11种状态如下：

LISTEN：侦听来自远方的TCP端口的连接请求
SYN-SENT：再发送连接请求后等待匹配的连接请求
SYN-RECEIVED：再收到和发送一个连接请求后等待对方对连接请求的确认
ESTABLISHED：代表一个打开的连接
FIN-WAIT-1：等待远程TCP连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认
FIN-WAIT-2：从远程TCP等待连接中断请求
CLOSE-WAIT：等待从本地用户发来的连接中断请求
CLOSING：等待远程TCP对连接中断的确认
LAST-ACK：等待原来的发向远程TCP的连接中断请求的确认
TIME-WAIT：等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认

CLOSED：没有任何连接状态

三、TCP状态转换图：

上图描述了 TCP 的11种状态的转换关系，图中的圆角矩形表示状态，箭头表示状态之间的转换。图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器端建立连接的正常过程：客户端的状态变迁用粗实线，服务器端的状态变迁用粗虚线。细线用于不常见的序列，如复位、同时打开、同时关闭等。图中的每条状态变换线上均标有“事件／动作”：事件是指用户执行了系统调用（ CONNECT 、 LISTEN 、 SEND 或 CLOSE ）、收到一个报文段（ SYN 、 FIN 、 ACK 或 RST ）、或者是出现了超过两倍最大的分组生命期的情况；动作是指发送一个报文段（ SYN 、 FIN 或 ACK ）或什么也没有（用“－”表示）。粗实线表示客户的正常路径；粗虚线表示服务器的正常路径；细线表示不常见的事件。每个连接均开始于 CLOSED 状态。当一方执行了被动的连接原语（ LISTEN ）或主动的连接原语（ CONNECT ）时，它便会脱离 CLOSED 状态。如果此时另一方执行了相对应的连接原语，连接便建立了，并且状态变为 ESTABLISHED 。任何一方均可以首先请求释放连接，当连接被释放后，状态又回到了 CLOSED 。

一）、正常状态转换介绍
   我们用上图显示正常的 TCP 连接的建立与终止过程中，客户与服务器所经历的不同状态。

1. 服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态（ LISTEN ），等待客户端连接；
2. 当客户端的一个应用程序发出 CONNECT 命令后，本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为 SYN SENT 状态，然后给服务器发送一个 SYN 报文段；
3. 服务器收到一个 SYN 报文段，其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号，进入 SYN RCVD 状态；
4. 客户端收到 SYN + ACK 报文段，其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段，并转换为 ESTABLISHED 状态；
5. 服务器端收到确认的 ACK 报文段，完成了三次握手，于是也进入 ESTABLISHED 状态。

在此状态下，双方可以自由传输数据。当一个应用程序完成数据传输任务后，它需要关闭 TCP 连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。

1)  客户端执行 CLOSE 原语，本地的 TCP 实体发送一个 FIN 报文段并等待响应的确认（进入状态 FIN WAIT 1 ）；

2)  服务器收到一个 FIN 报文段，它确认客户端的请求发回一个 ACK 报文段，进入 CLOSE WAIT 状态；

3)  客户端收到确认 ACK 报文段，就转移到 FIN WAIT 2 状态，此时连接在一个方向上就断开了；

4)  服务器端应用得到通告后，也执行 CLOSE 原语关闭另一个方向的连接，其本地 TCP 实体向客户端发送一个 FIN 报文段，并进入 LAST ACK 状态，等待最后一个 ACK 确认报文段；

5)  客户端收到 FIN 报文段并确认，进入 TIMED WAIT 状态，此时双方连接均已经断开，但 TCP 要等待一个 2 倍报文段最大生存时间 MSL （ Maximum Segment Lifetime ），确保该连接的所有分组全部消失，以防止出现确认丢失的情况。当定时器超时后， TCP 删除该连接记录，返回到初始状态（ CLOSED ）。

6)  服务器收到最后一个确认 ACK 报文段，其 TCP 实体便释放该连接，并删除连接记录，返回到初始状态（ CLOSED ）。

二）、同时打开和同时关闭等状态

同时打开和同时关闭则是两种特殊的TCP状态，发生的概率很小在此不再赘述。如有兴趣的同学可以弄本tcp/ip原理方面的书看看！