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计算机网络协议第九章，TCP连接的建立与终止_并以 a 计算机为主动提出连接终止的一端,绘图说明 tcp 终止连接时各步骤的信

作者：Gausst松鼠会 | 2024-02-28 12:26:08

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并以 a 计算机为主动提出连接终止的一端,绘图说明 tcp 终止连接时各步骤的信

TCP协议作为有状态的服务，本章围绕这一主题进行详细讲解。本章主要分解连接建立和终止两个部分阐述TCP的状态，并且对TCP连接建立和终止的一些常见问题进行分析。

TCP的状态机

下面我们看一下TCP状态机的图例：

一共分为两个部分，第一部分是关于连接建立的5个状态，第二部分是关于连接终止的7个状态。

连接建立状态是ESTABLISHED状态及其以上半部分，连接终止则是其下半部分。

首先初始状态为CLOSED状态，通过三步握手成功后转换为ESTABLISHED状态。最好通过4步链接终止最终再次转换到CLOSED状态，这就是网络连接状态机的闭环。

下面通过连接的建立和拆除分解的方式来理解TCP状态机。

网络连接的建立

左侧一方为连接的主动方，通常是一个client角色，右侧则是连接的接受方，通常是一个server 角色。

步骤一、主动方通过connect 调用会发送一个SYN的TCP分节，此时socket 状态从CLOSED状态转换为SYN_SENT状态。

步骤二、接受方通过listen监听到SYN分节后，此时socket状态从CLOSED状态转换为SYN_RECV状态。并且发送SYN,ACK分节。

步骤三、主动方收到接受方的SYN,ACK分节后socket状态转换为ESTABLISHED, 并且发送ACK分节。

步骤四、接受方收到ACK分节后socket状态切换为ESTABLISHED状态。

连接双方都是经过一发一收两个步骤，最终都进入ESTABLISHED状态。看起来这个TCP连接建立也非常简单，但是里面也蕴含很多设计的思想。

在发送SYN分节时，需要初始化seq(Sequence Number简写)的值，如果细心的同学通过wireshark等抓包工具查看的时候发现seq=0,但是实际上seq是不为0的，因为抓包工具为了方便使用者分析而采用了相对seq。一般内核协议栈会根据时间的因子做一个随机的seq值，保证每次连接时尽可能不同。

接受方发送了SYN,ACK分节中的seq也是需要初始化一个值，是一个道理，而ACK Number则是需要在上一个SYN分节的seq上加1。

发送方收到SYN,ACK分节后，ACK Number也是需要加1，道理是同样的，因为当TCP的Data为0时也需要加1处理，如果TCP的Data有10个字节，ACK Number可以表示有多少字节被收到，ACK Number和Seq Number是相辅相成的，ACK Number可以告知发送方多少数据被接收，它被用于重传机制。Seq Number的保证每次发送时的序号不同，这样就能够保证发送报文的顺序。

下面看下连接建立后，发送1个字节的数据的相互流程，就比较容易理解Seq Number和Ack Number了

网络连接的终止

左侧我们称为连接主动关闭方，右侧为被动关闭方。通过close调用就可以发送FIN分节。

步骤一、主动方发送FIN分节后，socket状态从ESTABLISHED状态转换位FIN_WAIT_1。

步骤二、被动方收到FIN分节后，进入到CLOSE_WAIT状态并且发送ACK分节确认。

步骤三、被动方调用close函数，发送FIN分节，socket转换切换为LAST_ACK状态

步骤四、主动方收到步骤二发来的ACK分节后进入FIN_WAIT_2状态。

步骤五、主动方收到步骤三发来的FIN分节后进入TIME_WAIT状态，并且回复ACK分节。

步骤六、被动方收到ACK分节后，socket状态重新回到CLOSED状态。

连接的关闭流程确实比建立复杂一些，可以看到被动关闭方最终进入到CLOSED状态，而主动关闭方却进入到TIME_WAIT状态。主要看第一张图，当TIME_WAIT状态经过2个MSL周期后后最终进入到CLOSED状态，因此形成状态机的闭环。

TCP连接建立和终止扩展

连接同时打开

在第一张图的如下图所示部分就是同时打开的情况。

当主动方发生SYN分节后进入到SYN-SENT状态后，正常而言应该是等待SYN,ACK分节，但是等到的是SYN分节，这就以为则连接的对方同时发生SYN分节，这就叫同时打开，此时应该回复ACK分节并且进入到SYN-RECEIVED状态，等待ACK分节，而对方的情况也是如此，因此都会进入到SYN-RECEIVED状态等待ACK，如此就会出现连接过程中四个分节，2个SYN和2个ACK,当每方都收到对方的ACK分节后同时进入到ESTABLISHED状态。

这里讲一个关于同时打开的小话题，如果用TCP链接本机的某一个服务端口的时候，某些情况下会出现“鬼打墙”的现象，就是自己发送的数据又被自己给收到了，出现这个问题的原因就是因为出现自连接，而自连接就是一直同时打开的现象，其实很好复现这个问题，字节建立一个连接，然后又使用同一个fd连接自己监听的端口。当然有时不是故意为之也会出现，比如你像连接本机的1234端口，而这个12345端口的服务没有起来，而正好系统把它分给给你创建的fd，当你去连接这个端口的时候就变成自连接了。

连接同时关闭

上节没有将CLOSING这个状态，这个状态只会出现在同时关闭的时候，不少很常见，当一方发送FIN分节进入到FIN_WAIT_1状态是，正常情况下应该等等ACK分节，可是等待的却是FIN分节，这就意味着同时关闭，然此时应该进入到CLOSING状态并且等带对方的ACK，如果收到ACK则进入到TIME_WAIT状态。

SYN超时和SYN FLOOD攻击

SYN超时是如此，当发送SYN一段时间没有回应时，会不间断的发送SYN包以防止丢包，而发送时间间隔会不停的地址，一般直观感受是connect等待30秒（根据内核而定）左右后会提示连接超时。也就是TCP内核会尝试多次，如果依然没有回应才会超时。

SYN FLOOD 攻击是一个比较常见的DOS攻击手段，它的手段是发送SYN分节报文后，不在响应SYN,ACK分节，让对方一直无法完成连接的建立，linux内核有一个队列保持这种连接，并且队列有一定大小,通过内核参数tcp_syncookies而定，如果内核的队列被这种SYN报文多次攻击后，会占满内核的队列导致正常的连接无法等到响应。形成DOS攻击。

解决这个方法有三个参数可以调配，第一个是： tcp_synack_retries 可以用他来减少重试次数；第二个是： tcp_max_syn_backlog ，可以增大 SYN 连接数；第三个是： tcp_abort_on_overflow 处理不过来干脆就直接拒绝连接了。一般大公司会有专门保持TCP连接的机器，他们修改内核并有自己保护的策略，能够扛住百万级甚至更高的SYN FLOOD攻击。

FIN_WAIT_1状态和半关闭

写个HTTP服务的同学可能会遇到HTTP的QPS效率出现异常而CPU和内存还有很多空间的情况，然后才发现原来80端口有很多socket处于FIN_WAIT_1状态，出现这个状态是因为HTTP服务端关闭了连接，但是客户端没有调用close，发送FIN分节，导致服务socket长期处于FIN_WAIT_1状态导致fd句柄占用，从而导致服务响应性能下降。这个现象就称为半关闭状态。

那网络内核就一直不清理FIN_WAIT_1状态吗，也不是, 而是要等很长一段时间才能清理，可以将TCP的心跳包活时常设置短一些，这样能够加快对FIN_WAIT_1状态的回收。

TIME_WAIT状态和MSL

先解释MSL,MSL的意思为最大传输周期，也就是IP报文在网络中存活的最大时常，它在Linux中被设置为30秒，可以认为MSL=30秒。

什么是TIME_WAIT状态，这个状态的目的是什么? TIME_WAIT状态是主动断开连接方最终进入的状态，为什么要进入到TIME_WAIT状态呢，因为TCP设计者认为如果没有这个状态，一个连接断开后，这个端口如果再次被使用并且向上一次连接目的地址发送报文，那么可能上一个连接发送的报文在网络上延时后再次到达目的地址，这样目的地址会同时收到上一次连接和这一次连接的数据，有可能无法区分而带来问题。因此TCP设计者认为如果进入到TIME_WAIT后，必须等到2*MSL时间端口才能被复用，这样才会比较安全。

还记得初始化Seq Number吧，上面提到要使用一个随机值来初始化Seq Number，它也是一种防止这种现象的设计，当然也不一定完全有效，但是大多数时候是有用的。

HTTP服务是短连接的情况，如果Server端主动端开连接就会产生TIME_WAIT状态，然后TIME_WAIT状态也是占用系统资源的，这也是为什么大牛设计系统时都是让客户端主动端口连接的原因了，当然也不是所有场景都能让客户端先端开连接的，系统提供tcp_max_tw_buckets参数来控制TIME_WAIT的最大数量。

当客户端的场景下，如果重启进程后会出现上一个连接TIME_WAIT状态，当时有想复用这个端口，那么socket提供SO_REUSE_ADDRESS参数来复用TIME_WAIT状态的端口。

close于shutdown调用

在编写TCP协议会碰到这样一个问题，就是发送完数据后关闭连接，对方并没有将数据全部收全，原因在于调用close函数，以为你当自己的接受缓存中有数据可读时，但是没有全部读到应用层而直接调用close函数，会发送RST分节，如果发送RST分节，这样写缓冲的数据将会被丢弃，因此对方是无法收全你发送的数据的，正确的做法是调用shutdown函数，然后使用recv函数将接受缓冲队列的数据收全，当对方收到FIN分节后，也好发送ACK分节和FIN分节，如此shutdown调用方式也好收到recv == 0的时间，这时再调用close方法关闭fd。

小结

本章主要讲解TCP的状态机，并且通过讲解TCP连接建立和终止的坑来加深对TCP协议的理解，掌握如何避免掉进这些坑中。TCP的因为有状态的服务会带来一定性能问题，在媒体传输中不是被首选使用，后续有机会再讲下SCTP和T/TCP这两种协议。

参考

《TCP/IP详解-协议》卷一 W.Richard Stevens

修订

初稿 2015-3-27 Simon

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