[计算机网络] TCP连接的建立和终止_tcp在接收信息后不可以关闭节点

说明：本文内容来源于网络，本人只对原文内容重新组织语言进行描述，进行了适当的增删。

TCP是一个面向连接的协议。在传输数据前必须要建立连接，在停止传输数据后要终止连接释放资源。

一、TCP的连接

TCP连接是在IP网络中应用层的两个进程间的全双工逻辑回路。由节点的（IP地址，端口）唯一确定一对连接。 

特点

• 通过一个握手进程建立起来；
• 通过一个周期性保持进程来保持，保证两个TCP节点间处于激活状态；
• 通过一个握手进程来终止，释放资源。
• TCP连接可被连接中的任意一端重置。 

连接的建立

为了建立连接TCP连接双方必须从对方了解下面的信息：

• 1.对方数据发送的开始序列号（一般为随机值）；
• 2.对方在出站管道上发送数据的缓冲区大小；
• 3.能被接收的最大段MSS；
• 4.被支持的TCP选项，如窗口的比例因子等；

通过3个TCP段的交换来了解这些信息，就是常说的TCP 握手的3个包。一般在客户端访问TCP服务器的时候，在客户端初始化一个TCP连接，服务器端打开一个特殊端口等待传入的请求。客户端主动发起第一个 SYN置位的包开始协商TCP连接。服务器接收后向客户端回ACK，最后客户端在向服务器回复ACK后连接建立。
下面我们用TCP连接的两个对等端A和B来详细介绍握手过程，其中发起方是A。

根据TCP传输的规则，接收到ISN的一方需要回复ACK，所以共计四片信息在建立连接过程中传输。之所以是三次握手 (而不是四次)，是因为server将发送SYN和回复ACK合并到一个TCP片段中。

• 段一：SYN段
  TCP连接的发起方A向B发送第一个TCP同步段（SYN）.在TCP头部的选项中会包含一些选项与对端协商。
  TCP 头部包含如下字段：
  目的端口  TCP连接对端B被动打开的TCP端口数
  源端口  TCP连接发起方A主动打开的端口，大多数是一个随机一个端口。
  序列号  SYN的序列号ISN1可以看作是一个32位的计数器，由发起方A产生，具有一定的随机性。Windows 2003和XP根据派生启动(startup-derived)、2048位的随机密钥和一个基于RC4的随机数来计算ISN，从而减少下一TCP连接的 ISN被预测的可能性。
  ACK标志  设置为0，SYN握手第一个包的ACK字段不重要，此时刚发起连接没有数据报需要确认。但后续的ACK是重要的。
  SYN标志  置1.
  窗口  设置为默认值，指示本地TCP接收缓冲区大小的初始值。
  MSS TCP选项   指示发起方A接收的最大的TCP段。

• 段二：SYN-ACK段
  在B收到SYN包后，B将发SYN-ACK，TCP选项仅包含发起方A发送的SYN包中的的选项。
  目的端口   设置为A端口
  源端口       设置为B端口
  序列号       B产生自己的序列号ISN2。和A发送的SYN中的ISN没有关系，仅产生的方法一样。
  确认号      期望收到的对端的下一个字节ISN1+1.
  SYN标志  置1.
  ACK标志  置1，必须有此标志，除了SYN段中置0外，SYN段之后的所有报文（包括SYN-ACK和实际数据包都会带ACK的标志）。
  窗口  设置B可以接收的最大窗口值，一般根据应用程序或者操作系统默认指定。
  MSS TCP选项  设为B能接收的最大长度的TCP段； 

• 段3：ACK段
  在TCP连接的发起方A收到SYN-ACK后，A再向B发送ACK。ACK中确认被发起方A使用的最终TCP参数，同时向B确认它该使用同样的参数。自此TCP连接建立完成。 

二、双向连接

两个应用程序同时执行主动建立TCP的连接的可能性是存在的，此时发送到SYN建立需要交换4个包，如图所示：

三、TCP的终止

TCP的连接终止需要4个包交换来完成。在两个逻辑管道上每个逻辑管道上发送方发送FIN置位的终止包，然后收到ACK后关闭该逻辑管道的连接。

我们可以看到，连接终结的过程中，连接双方也交换了四片信息(两个FIN和两个ACK)。在终结连接的过程中，TCP并没有合并FIN与ACK片段。原因是TCP连接允许单向关闭(half-close)。也就是说，TCP连接关闭了一个方向的传输，成为一个单向连接(half-duplex)。第二个箭头和第三个箭头传递必须分开，才能有空隙在开放的方向上继续传输。如果第二个箭头和第三个箭头合并在一起，那么，随着一方关闭，另一方也要被迫关闭。

第二和第三次握手之间，server可以继续单向的发送片段给client，但client不能发送数据片段给server。

在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

段1：端A的FIN+ACK

一个期望终止出站数据流的TCP对等端(A)发送一个不包含任何数据的TCP段，他具有如下特点：

• 序列号，和发送带数据TCP段一样设置为出站数据的当前序列号，且当前序列号是最终序列号FSN1，因为马上要关闭了。
• 确认序列号被设为TCP对等端A期望对方发送的下一个字节v。
  
• 设置FIN标志，指示此逻辑管道上没有其他数据需要发送。 

段2：端B的ACK

与SYN类似，FIN包也会占用一个字节的序列空间，并且必须把它当作是一个字节数据来确认。所以B接收到A发来的FIN-ACK后必须发送一个ACK。

一旦FIN-ACK被确认，发送初始FIN-ACK端A就不能再发送数据了，这仅终止了一个逻辑管道的连接，TCP对等端B发送数据到A的逻辑管道仍然开放，B仍然可以发数据给A，同时A也能发送ACK，只是不能发送数据而已。

段3：端B的FIN+ACK

对等端A向B发送数据的逻辑管道被关闭后，如果B向A发送数据的逻辑管道仍然有数据发送，且被对等端A确认，这就是TCP半关闭状态。

之后当TCP对等端B也没有数据向A发送后，B也要向A发送FIN-ACK来关闭。

段4：端A的ACK

具有如下特点：

• 序列号 设为出站数据的当前序列号FSN1+1
• 确认号字段被设为比对端B发送的最终序列号多1的值FSN2+1

当来自A的ACK被B接收后，TCP连接上的B向A发送数据的逻辑管道就会被关闭，此时经过四次握手后，整个TCP连接才会被完整关闭。

四、TCP的双向终止

双方都执行主动关闭也是可能的,TCP协议也允许这样的同时关闭（simultaneous close）。双方各发送一个FIN，两个FIN经过网络传送后分别到达另一端。收到FIN后，两端发送最后的ACK。当收到最后的ACK时，关闭TCP连接。

五、TCP的连接复位（Reset）

TCP连接终止进程适用于一个TCP连接的两个管道在互相同意的情况下正常关闭。

另外一种终止TCP连接的方式是通过TCP连接复位—一个具有RST(Reset)标志的TCP段来完成。

当一个不可调和的入站TCP段的TCP头中存在参数问题时，一个TCP连接复位就会被发送。例如，不恰当的源IP地址、目的IP地址或者TCP端口号都能中断一个建立了的连接。中断的TCP连接将丢失所有的TCP数据，包括正在传送中或者在等待被发送的缓冲区中的数据，类似于强制关机。

TCP Reset也用来拒绝一个TCP连接企图，以响应对SYN段的接收。最常见的是，SYN段中目的端口与运行在SYN段接收者上的应用层进程相对应。当达到被允许的最大值时，连接企图就会被拒绝。下图显示了TCP连接复位。

TCP的状态转换

TCP连接状态和说明：