【TCP专题】TCP连接断开_tcp断开连接

        当TCP的连接建立完成后，我们就可以尽情的通过TCP连接所创立的会话来进行数据的传输了。当然，再有意思的话题也有说完的时候，所以，当数据传输完之后，TCP该如何善后呢？

TCP的四次挥手

        TCP的连接断开需要经历4次数据包的交互才能完成，所以这个过程我们习惯性的称为“四次挥手”。当然，结束连接之后，主机中的"资源"（即缓存和变量）也就被释放掉了。

TCP的的断开也是双方均可以主动发起，我们上图以客户端主动发起为例，来说明这个过程。

1. 首先，客户端发现自己需要发送的数据已经发送完毕，有了断开TCP连接的想法。它会发出一个TCP报文段，这个报文段中的FIN标记位将置1。（这里注意，和TCP的三次握手不同，FIN报文段是允许携带数据的，所以，它可能会包含整个数据流中最后一段数据。）
2. 服务器收到对方的FIN断开请求报文段，则回复一个ACK报文段。
3. 等待服务器把需要发送的数据都处理完毕之后，服务器也会发送一个FIN断开请求的报文段给客户端。
4. 客户端收到后，也将回复一个ACK作为最后的确认。至此，服务器将关闭TCP的连接。而客户端也将在等待一段时间（图示的2MSL）后关闭。（这个等待时间及等待原因，我们后面再分析）

        以上便是TCP断开的一个正常流程了。我们这个过程中只关注了交互的方式，并没有关注具体数据包中的序列号和确认序列号，那是因为这几个数据包是允许包含数据的，所以，这个序列号和确认序列号需要考虑携带数据的字节数。

断开连接过程中的状态变化

        同样，这个图中，也标识出了断开过程中客户端以及服务器的状态变化。我们还是分别从客户端和服务器的视角来看一下这个状态变化。

        我们还是先从客户端的角度出发，来观察下这个状态变化。

1. 客户端一开始，还处于ESTABLISHED建立的状态，现在，他发现它数据传递完毕，于是发送了FIN断开请求报文段，之后，变进入到了一个新的状态 --- FIN_WAIT_1。
2. 客户端再FIN_WAIT_1状态下，就是在等待服务器回复ACK，一旦等到之后，将进入到下一个状态。
3. 客户端在收到服务器发送的ACK之后进入的状态被称为FIN_WAIT_2状态。这个状态主要就是等待服务器发送FIN请求。
4. 客户端在收到服务器发送的FIN断开请求之后，将回复ACK进行确认。但注意，客户端并没有直接断开连接，进入到CLOSE（关闭）状态，而是进入到了一个TIME_WAIT状态继续等待。
5. 在这个TIME_WAIT状态等待2MSL（这是一个时间），之后进入CLOSE（关闭）状态。进入到关闭状态后客户端将释放掉所有给这个TCP连接分配的资源。

        以上便是客户端在断开连接过程中出现的状态变化。注意，服务器也可以主动发起断开，则服务器方的状态变化也将经历这几个过程。

        下来我们再开看下服务器方的状态变化。

1. 首先，服务器也还处在ESTABLISHED建立的状态。在收到客户端的FIN断开请求后，服务器会回复一个ACK进行确认，同时进入到CLOSED_WAIT状态。
2. 这个状态随着服务器自身发送FIN断开请求报文段之后，将结束，并进入到一个新的状态 --- LSA_ACK状态。
3. 从这个状态的名字就可以看出来，服务器在等待最后的一个ACK报文段。当服务器接收到这个ACK之后，则将进入最终的状态，也就是CLOSE（关闭）状态。之后，将给这个TCP连接分配的所有资源释放掉。

    

        以上便是整个“四次挥手”断开过程的状态变化。需要注意的就是，这里的客户端和服务器是相对的，先发送FIN的需要经历“客户端”那一套，也就是需要在关闭前进行等待。而被动方则走的是“服务器”那一套，再收到ACK报文之后直接关闭。

为什么需要有TIME_WAIT状态

        不出意外的话，再看过TCP断开的四个过程中的状态变化之后，大家可能都会有一个疑问，就是这个FIN的发起方为啥需要等待一段时间之后，才能关闭TCP连接？也就是这个TIME_WAIT状态存在的意义是什么？

        其实这是很重要的一个等待，因为他是我们连接能够正常被关闭的保证。

        我们先假设没有TIME_WAIT或者这个时间过短，看看会发生什么样的事情。

        从上边的图中，我们其实就已经可以清楚的看出这个等待的必要性了。因为我们永远不能以最理想的眼光来看待网络通信。说不定，那个数据包就迷失在这网络数据之海中了。

        这里假设客户端发送的最后一个ACK在网络中丢失了，而我们客户端不等待或者等待时间很短，则将自顾自的关闭了TCP连接。但是，服务端没有收到最后的确认，则一直停留在了LAST_ACK状态了。这样很不负责任。

        服务器长时间接收不到ACK，则也将触发重传（TCP的可靠之处了），服务器会再发送一个FIN断开请求。而此时，客户端已经关闭了该连接通道，则将回复RST来终结连接，这就属于异常的断开。

TIME_WAIT的时间为什么是2MSL

        从上面的分析，我们可以看出来这个等待是必要的，当然，只需要发起方等待就可以了，因为它最后发送的ACK报文可能会出现问题，需要等待反馈。

        而且，这个时间的长短也很重要，不能太短，否则服务器方的反馈还没有回来，你就关闭了，那还不如不等。这里定义的时间长短是2MSL。

        MSL --- Maximum Segment Lifetime。翻译过来叫做报文最大生存时间。这个时间指的是一个报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间，则该数据报文将被丢弃。这个和IP头部中的TTL --- 生存时间还不一样，因为它是一个正儿八经的时间概念。

TTL是什么？

TTL被称为生存时间，是IP头部中定义的一个变量。它的用法是一个数据包，每经过一个路由器的转发，这个TTL值将减1，当一个数据包的TTL值被减为0的时候，则将不会被转发，而直接被丢弃。它并不是一个时间概念，反应的是经过路由的跳数。

        所以，这个MSL的值应该大于等于TTL值消耗为0的值，以确保报文已被自然消亡。

        那这里的2MSL指的就是2被的MSL时间。

        TIME_WAIT的时间被设定为2MSL，也有有这方面的考虑的。这个数据包足够正常数据包的一个重传时间，比如如果被动关闭方没有收到断开连接的最后的ACK报文，就会触发超时重发Fin报文，另一方接收到FIN后（收到FIN断开请求后，客户端的TIME_WAIT状态会刷新，即等待时间重新计时2MSL），会重发ACK给被动关闭方，一来一去正好2个MSL。

Linux系统里，2MSL默认是60S

        设置2MSL的TIME_WAIT时间还能应对一种情况，就是防止旧连接的数据包造成错乱。

        这里也给大家一个场景。假设，服务器发送的一个数据报文在网络中被阻塞了，之后，客户端发起了断开连接的请求，同时请求的确认序列号应该是服务器之前丢失的那一个。此时，服务器将回复ACK并携带之前发送过的数据段进行重传。之后，TCP的连接正常断开。但注意，此时服务器之前被阻塞的数据段依旧在网络中慢悠悠的前进中。

        恰巧，客户端有发起了一个新的连接。而之前这个数据包的序列号又恰好在新连接序号范围内，则将被客户端接收，造成数据错乱的后果。

        所以，设计这2MSL的等待时间，足以让两个方向上的数据报都被丢弃，再出现新的连接时，不至于被历史报文造成数据错乱。

        这里有一个点，需要大家注意一下。那就是客户端新建的连接使用的序列号问题。我们前面说过，客户端在发起连接时使用的随机的初始序列号ISN为了防止历史数据造成混乱，这个确实没错。但是，这个序列号并不是一个无限的值，其本质是由32位二进制构成的，所以其取值范围也是有限的。这个初始值在随机的时候，是基于时钟的，回滚一次需要大概4.55小时。但是，如果发送的数据量过大的话，是会加速这个回滚过程的。所以，是有可能出现上述场景的。

        

        当然，这个时间也不能设置过长。时间太长必然导致内存资源的占用，并且，如果是连接发起方处在TIME_WAIT状态，则次状态下，还会导致其使用的端口资源被占用。（接收连接方也就是服务器方，理论上监听的同一个端口可以建立多个连接的，所以，不会造成端口占用的问题。当然，服务器如果TIME_WAIT状态的连接太多的话，也会大量的消耗系统资源，导致无法处理新的连接。）

为什么TCP的挥手需要四次而不能是三次

        这是一个很经典的问题，不过其实也不难解释，如果认证看来前面断开的过程，其实就已经推理出一二了。

        这个问题的核心其实在于"数据"上。理想的情况下，肯定是希望断开过程像连接建立过程一样，中间两步可以合成一步，变成“三次挥手”，这样，肯定是可以将资源节约下来的。但问题就是，你客户端（假设客户端是断开连接的发起方）数据发完了，我服务器（假设服务器是被动方）就也一定发完数据了吗？

        所以，服务器发送FIN一定是取决于自己数据发送完毕的情况下，而不是为了赶给客户端回复ACK这个趟。

        当然，也并不是说挥手就不能是三次。如果，恰好客户端发送FIN后，服务器回复的ACK中携带的是最后的数据报文段了，那同时将这个数据报文段中的FIN置1也未尝不可。那这样也就是三次挥手的情况了。

        所以，这一切都在于“数据”是否被发送完毕。理论上的，我们还是要按照四次来进行理解记忆的。