TCP状态机

前言

本文将会首先介绍TCP的各个状态,然后描述TCP三次握手和四次挥手时的状态变化,最后重点介绍TIME_WAIT状态。

TCP连接状态

一个TCP连接在它的生命周期内会有不同的状态。

下图说明了TCP连接可能会有的状态,以及基于事件的状态转换。事件中有的是应用程序的操作,有的是接收到了网络发过来的请求。

TCP状态及其描述如下表。

状态 描述
LISTEN 等待来自远程TCP应用程序的请求
SYN_SENT 发送连接请求后等待来自远程端点的确认。TCP第一次握手后客户端所处的状态
SYN-RECEIVED 该端点已经接收到连接请求并发送确认。
该端点正在等待最终确认。TCP第二次握手后服务端所处的状态
ESTABLISHED 代表连接已经建立起来了。这是连接数据传输阶段的正常状态
FIN_WAIT_1 等待来自远程TCP的终止连接请求或终止请求的确认
FIN_WAIT_2 在此端点发送终止连接请求后,等待来自远程TCP的连接终止请求
CLOSE_WAIT 该端点已经收到来自远程端点的关闭请求,此TCP正在等待本地应用程序的连接终止请求
CLOSING 等待来自远程TCP的连接终止请求确认
LAST_ACK 等待先前发送到远程TCP的连接终止请求的确认
TIME_WAIT 等待足够的时间来确保远程TCP接收到其连接终止请求的确认

TCP三次握手

当一个TCP连接建立时,发生了以下事情:

  1. 服务端必须准备接收传入的连接。这通常通过调用socketbindlisten来完成,称为被动打开。
  2. 客户端通过调用connect方法来发起一个主动的打开。客户端TCP会发送一个“同步”(SYN)段,它告诉服务器客户端在连接上发送的数据的初始序列号。通常情况下,SYN没有发送数据,它只包含一个IP头,TCP头和可能的TCP选项。
  3. 服务器必须确认(ACK)客户端的SYN,并且服务器还必须发送自己的SYN,其中包含服务器将在连接上发送的数据的初始序列号。
  4. 客户端必须确认服务器的SYN。

下图显示了TCP三次握手的过程,以及客户端和服务端状态的变化。

TCP四次挥手

一个TCP连接需要四步断开:

  1. 一个应用程序首先执行close,发送FIN段,这个操作被称为主动关闭,这意味着这一端完成数据的发送。
  2. 执行FIN的另一端执行被动关闭,该端发送ACK,确认该FIN。
  3. 被动关闭的一端执行close,向主动关闭的一方发送FIN。
  4. 主动关闭的一方确认收到的FIN。

下图显示了一次典型的TCP四次挥手的过程,以及主动关闭方和被动关闭方的状态变化。在图中是客户端主动断开了连接,这里只是举个例子,服务端一样可以主动断开连接。

TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态应该是最让人疑惑的一个状态了。在上图中可以看到,执行主动断开的节点最后会进入这个状态,该节点会在此状态保存2倍的MSL(最大段生存期)。

TCP的每个实现都必须为MSL选择一个值。RFC 1122推荐的值为两分钟,伯克利派的实现使用30秒。这也就是说TIME_WAIT状态会维持1到4分钟。MSL是任何IP数据报可以在网络中生存的最长时间。这个时间是有限制的,因为每个数据报都包含一个8位的跳数限制,最大值是255.虽然这是一个跳数限制而不是一个真正的时间限制,但是根据这个限制来假设数据报的最长生命周期依然是有意义的。

网络中数据报丢失的原因通常是路由异常。一旦路由崩溃或者两个路由之间的链路断开,路由协议需要几秒或几分钟才能稳定,并找到一条备用路径。在这段时间内,可能发生路由回路。同时假设丢失是一个TCP数据报,则发生TCP超时,并且重新发送分组,重传的分组通过一些备用路径达到最终目的地。但是一段时间后(该时间小于MSL),路由循环被更正,在循环中丢失的数据报被发送到最终目的地。这个原始的数据报被称为丢失的副本或漫游副本。TCP协议必须处理这些数据报。

维持TIME_WAIT有两个原因:

  1. 可靠地实现TCP的全双工连接终止。
  2. 允许旧的重复数据段在网络中过期

在四次挥手中,假设最后的ACK丢失了,被动关闭方会重发FIN。主动关闭端必须维护状态,来允许被动关闭方重发最后的ACK;如果它没有维护这个状态,将会对重发FIN返回RST,被动关闭方会认为这是个错误。如果TCP正在执行彻底终止数据流的两个方向所需的所有工作(即全双工关闭),则必须正确处理这四个段中任何一个的丢失。所以执行主动关闭的一方必须在结束时保持TIME_WAIT状态:因为它可能必须重传最后的ACK。

现在来聊维持TIME_WAIT状态的第二个原因。假设在主机12.106.32.254的1500端口和206.168.112.219的21端口之间有一个TCP连接。此连接关闭后,在相通的地址和端口建立了另外一个连接。由于IP地址和端口相同,所以后一种连接被称为先前连接的“化身”。TCP必须防止连接中的旧副本在稍后再次出现,并被误解为属于同一连接的新“化身”。为此,TCP将不会启动当前处于TIME_WAIT状态的连接的新“化身”。由于TIME_WAIT状态的持续时间时两倍的MSL,因此TCP允许一个方向的数据在MSL秒内丢失,也允许回复在一个MSL秒内丢失。通过强制执行此规则,可以保证当一个TCP连接成功建立时,来自先前连接的所有旧的副本在网络中已过期。

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