Go网络编程之网络概述和TCP通信

1. 网络概述

  • 协议

从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。假设，A、B双方欲传输文件，规定：

    第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方；
    第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK；
    第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内容接收成功。

由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。

这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。

当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衍生而来。

  • 典型协议

传输层 常见协议有TCP/UDP协议。

应用层 常见的协议有HTTP协议，FTP协议。

网络层 常见协议有IP协议、ICMP协议、IGMP协议。

网络接口层 常见协议有ARP协议、RARP协议。

TCP传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

UDP用户数据报协议（User Datagram Protocol）是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

HTTP超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。

FTP文件传输协议（File Transfer Protocol）。

IP协议是因特网互联协议（Internet Protocol）。

ICMP协议是Internet控制报文协议（Internet Control Message Protocol）它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。

IGMP协议是 Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间。

ARP协议是正向地址解析协议（Address Resolution Protocol），通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。

RARP是反向地址转换协议，通过MAC地址确定IP地址。

2. 分层模型

  • 网络分层架构

为了减少协议设计的复杂性，大多数网络模型均采用分层的方式来组织。每一层都有自己的功能，就像建筑物一样，每一层都靠下一层支持。每一层利用下一层提供的服务来为上一层提供服务，本层服务的实现细节对上层屏蔽。

网络分层架构.png

越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。

业内普遍的分层方式有两种。OSI七层模型 和TCP/IP四层模型。可以通过背诵两个口诀来快速记忆：

OSI七层模型：物、数、网、传、会、表、应

TCP/IP四层模型：链、网、传、应

1 ) 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

2 ) 数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1

3 ) 网络层：在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。

4 ) 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。 主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。

5 ) 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

6 ) 表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。

7 ) 应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

  • 层与协议

每一层都是为了完成一种功能，为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则。大家都遵守这规则，就叫做“协议”（protocol）。

网络的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，叫“TCP/IP协议”。TCP/IP协议是一个大家族，不仅仅只有TCP和IP协议，它还包括其它的协议，如下图：

层与协议.png

  • 各层功能

各层功能.png
链路层

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有“网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。通过网卡能够使不同的计算机之间连接，从而完成数据通信等功能。网卡的地址——MAC 地址，就是数据包的物理发送地址和物理接收地址。

网络层

网络层的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做“网络地址”，就是我们平时所说的IP地址。这个IP地址好比我们的手机号码，通过手机号码可以得到用户所在的归属地。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC 地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。网络层协议包含的主要信息是源IP和目的IP。

于是，“网络层”出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是 MAC 地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC 地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC 地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理 MAC 地址。

传输层

当我们一边聊QQ，一边聊微信，当一个数据包从互联网上发来的时候，我们怎么知道，它是来自QQ的内容，还是来自微信的内容？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做“端口”（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

端口特点：

对于同一个端口，在不同系统中对应着不同的进程
对于同一个系统，一个端口只能被一个进程拥有

应用层

应用程序收到“传输层”的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。“应用层”的作用，就是规定应用程序的数据格式。

  • 通信过程

两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示：


通信过程.png

3. Socket编程

  • 什么是Socket

Socket，英文含义是【插座、插孔】，一般称之为套接字，用于描述IP地址和端口。可以实现不同程序间的数据通信。

Socket起源于Unix，而Unix基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现，网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用：Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

套接字的内核实现较为复杂，不宜在学习初期深入学习，了解到如下结构足矣。

套接字通讯原理示意.png

在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

4. 网络应用程序设计模式

  • C/S模式

传统的网络应用设计模式，客户机(client)/服务器(server)模式。需要在通讯两端各自部署客户机和服务器来完成数据通信。

  • B/S模式

浏览器(Browser)/服务器(Server)模式。只需在一端部署服务器，而另外一端使用每台PC都默认配置的浏览器即可完成数据的传输。

  • 优缺点

对于C/S模式来说，其优点明显。客户端位于目标主机上可以保证性能，将数据缓存至客户端本地，从而提高数据传输效率。且，一般来说客户端和服务器程序由一个开发团队创作，所以他们之间所采用的协议相对灵活。可以在标准协议的基础上根据需求裁剪及定制。例如，腾讯所采用的通信协议，即为ftp协议的修改剪裁版

因此，传统的网络应用程序及较大型的网络应用程序都首选C/S模式进行开发。如，知名的网络游戏魔兽世界。3D画面，数据量庞大，使用C/S模式可以提前在本地进行大量数据的缓存处理，从而提高观感。

C/S模式的缺点也较突出。由于客户端和服务器都需要有一个开发团队来完成开发。工作量将成倍提升，开发周期较长。另外，从用户角度出发，需要将客户端安插至用户主机上，对用户主机的安全性构成威胁。这也是很多用户不愿使用C/S模式应用程序的重要原因。

B/S模式相比C/S模式而言，由于它没有独立的客户端，使用标准浏览器作为客户端，其工作开发量较小。只需开发服务器端即可。另外由于其采用浏览器显示数据，因此移植性非常好，不受平台限制。如早期的偷菜游戏，在各个平台上都可以完美运行。

B/S模式的缺点也较明显。由于使用第三方浏览器，因此网络应用支持受限。另外，没有客户端放到对方主机上，缓存数据不尽如人意，从而传输数据量受到限制。应用的观感大打折扣。第三，必须与浏览器一样，采用标准http协议进行通信，协议选择不灵活。

因此在开发过程中，模式的选择由上述各自的特点决定。根据实际需求选择应用程序设计模式。

  • 简单的C/S模型通信

TCP的C/S架构.png
Server端：

Listen函数：

func Listen(network, address string) (Listener, error)
//network：选用的协议：TCP、UDP，    如：“tcp”或 “udp” 注意：只支持小写字母
//address：IP地址+端口号,             如：“127.0.0.1:8000”或 “:8000”

Listener 接口：

type Listener interface {
        Accept() (Conn, error)
        Close() error
        Addr() Addr
}

Conn 接口：

type Conn interface {
    Read(b []byte) (n int, err error)
    Write(b []byte) (n int, err error)
    Close() error
    LocalAddr() Addr
    RemoteAddr() Addr
    SetDeadline(t time.Time) error
    SetReadDeadline(t time.Time) error
    SetWriteDeadline(t time.Time) error
}

TCP服务器示例代码：

package main

import (
    "net"
    "fmt"
)

func main() {
    // 创建用于监听的 socket
    listener, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:7020")
    if err != nil {
        fmt.Println("Listen err:", err)
        return
    }
    fmt.Println("监听套接字，创建成功。。。")
    // 服务器结束前关闭 listener
    defer listener.Close()

    // 创建用户数据通信的socket
    conn, err := listener.Accept()      // 阻塞等待...
    if err != nil {
        fmt.Println("Accept err:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()

    fmt.Println("通信套接字，创建成功。。。")

    // 创建一个用保存数据的缓冲区
    buf := make([]byte, 4096)

    for {
        // 获取客户端发送的数据内容
        n, err := conn.Read(buf)
        if err != nil {
            fmt.Println("Read err:", err)
            return
        }
        // 处理 客户端 的数据
        fmt.Println("读到客户端发送：", string(buf[:n]))

        // 回写数据给客户端
        _, err = conn.Write([]byte("This is Server\n"))
        if err != nil {
            fmt.Println("Write err:", err)
            return
        }
    }
}

如图，在整个通信过程中，服务器端有两个socket参与进来，但用于通信的只有 conn 这个socket。它是由 listener创建的。隶属于服务器端。

简单的C/S模型通信.png
Client 端：

Dial函数：

func Dial(network, address string) (Conn, error)
//network：选用的协议：TCP、UDP，如：“tcp”或 “udp”
//address：服务器IP地址+端口号, 如：“121.36.108.11:8000”或 “www.itcast.cn:8000”

Conn 接口：

type Conn interface {
    Read(b []byte) (n int, err error)
    Write(b []byte) (n int, err error)
    Close() error
    LocalAddr() Addr
    RemoteAddr() Addr
    SetDeadline(t time.Time) error
    SetReadDeadline(t time.Time) error
    SetWriteDeadline(t time.Time) error
}

TCP客户端示例代码：

package main

import (
    "net"
    "fmt"
    "time"
)

func main()  {
    // 创建用于通信socket
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:7020")  // IP地址/prot端口号--服务器的
    if err != nil {
        fmt.Println("Dial err:", err)
        return
    }
    // 关闭连接
    defer conn.Close()

    for {
        // 发送数据 write
        _, err = conn.Write([]byte("hello socket"))
        if err != nil {
            fmt.Println("Write err:", err)
            return
        }
        buf := make([]byte, 4096)
        // 接收数据 read
        n, err := conn.Read(buf)
        if err != nil {
            fmt.Println("Read err:", err)
            return
        }
        fmt.Println("读到 服务器 回发：", string(buf[:n]))

        time.Sleep(time.Second)
    }
}

  • 并发C/S模型通信

并发Server

现在已经完成了客户端与服务端的通信，但是服务端只能接收一个用户发送过来的数据，怎样接收多个客户端发送过来的数据，实现一个高效的并发服务器呢？

Accept()函数的作用是等待客户端的链接，如果客户端没有链接，该方法会阻塞。如果有客户端链接，那么该方法返回一个Socket负责与客户端进行通信。所以，每来一个客户端，该方法就应该返回一个Socket与其通信，因此，可以使用一个死循环，将Accept()调用过程包裹起来。

需要注意的是，实现并发处理多个客户端数据的服务器，就需要针对每一个客户端连接，单独产生一个Socket，并创建一个单独的goroutine与之完成通信。

//监听
    listener, err := net.Listen("tcp", "127.0.0.1:8001")    // tcp 不能使用大写
    if err != nil {
            fmt.Println("err = ", err)
            return
    }
    defer listener.Close()
    //接收多个用户
    for {
            conn, err := listener.Accept()
            if err != nil {
                fmt.Println("err = ", err)
                    return
         }
         //处理用户请求, 新建一个协程
         go HandleConn(conn)
}

将客户端的数据处理工作封装到HandleConn方法中，需将Accept()返回的Socket传递给该方法，变量conn的类型为：net.Conn。可以使用conn.RemoteAddr()来获取成功与服务器建立连接的客户端IP地址和端口号：

//Conn 接口：
type Conn interface {
    Read(b []byte) (n int, err error)
    Write(b []byte) (n int, err error)
    Close() error
    LocalAddr() Addr
    RemoteAddr() Addr
    SetDeadline(t time.Time) error
    SetReadDeadline(t time.Time) error
    SetWriteDeadline(t time.Time) error
}

//获取客户端的网络地址信息
    addr := conn.RemoteAddr().String()
    fmt.Println(addr, " conncet sucessful")

客户端可能持续不断的发送数据，因此接收数据的过程可以放在for循环中，服务端也持续不断的向客户端返回处理后的数据。

添加一个限定，如果客户端发送一个“exit”字符串，表示客户端通知服务器不再向服务端发送数据，此时应该结束HandleConn方法，同时关闭与该客户端关联的Socket。

buf := make([]byte, 2048)    //创建一个切片，存储客户端发送的数据

for {
        //读取用户数据 
        n, err := conn.Read(buf)
        if err != nil {
            fmt.Println("err = ", err)
            return
        }
        fmt.Printf("[%s]: %s\n", addr, string(buf[:n]))
        if  "exit" == string(buf[:n-2]) {       //自己写的客户端测试, 发送时，多了2个字符, "\r\n"
            fmt.Println(addr, " exit")
            return
        }
        //服务器处理数据：把客户端数据转大写，再写回给client
        conn.Write([]byte(strings.ToUpper(string(buf[:n]))))
 }

在上面的代码中，Read()方法获取客户端发送过来的数据，填充到切片buf中，返回的是实际填充的数据的长度，所以将客户端发送过来的数据进行打印，打印的是实际接收到的数据。

fmt.Printf("[%s]: %s\n", addr, string(buf[:n])).同时也可以将客户端的网络地址信息打印出来。

在判断客户端数据是否为“exit”字符串时，要注意，客户端会自动的多发送2个字符：“\r\n”（这在windows系统下代表回车、换行）。

Server使用Write方法将数据写回给客户端，参数类型是 []byte，需使用strings包下的ToUpper函数来完成大小写转换。转换的对象即为string(buf[:n])。

综上，HandleConn方法完整定义如下：

//处理用户请求
func HandleConn(conn net.Conn) {
//函数调用完毕，自动关闭conn
defer conn.Close()

          //获取客户端的网络地址信息
          addr := conn.RemoteAddr().String()
          fmt.Println(addr, " conncet sucessful")

          buf := make([]byte, 2048)

          for {
                  //读取用户数据
                 n, err := conn.Read(buf)
                 if err != nil {
                         fmt.Println("err = ", err)
                         return
                    }
                    fmt.Printf("[%s]: %s\n",  addr,  string(buf[:n]))
                fmt.Println("len = ", len(string(buf[:n]))) 

                    //if "exit" == string(buf[:n-1]) {  // nc测试，发送时，只有 \n
                 if  "exit" == string(buf[:n-2]) {  // 自己写的客户端测试, 发送时，多了2个字符, "\r\n"
                        fmt.Println(addr, " exit")
                        return
                 }

                 //把数据转换为大写，再给用户发送
                 conn.Write([]byte(strings.ToUpper(string(buf[:n]))))
          }
}
并发Client

客户端不仅需要持续的向服务端发送数据，同时也要接收从服务端返回的数据。因此可将发送和接收放到不同的协程中。

主协程循环接收服务器回发的数据（该数据应已转换为大写），并打印至屏幕；子协程循环从键盘读取用户输入数据，写给服务器。读取键盘输入可使用 os.Stdin.Read(str)。定义切片str，将读到的数据保存至str中。

这样，客户端也实现了多任务。

客户端代码实现：

package main

import (
    "net"
    "fmt"
    "os"
)

func main()  {
    conn, err := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8000")
    if err != nil {
        fmt.Println("Dial err:", err)
        return
    }
    defer conn.Close()

    // 读取用户的键盘输入。
    go func() {
        buf := make([]byte, 4096)
        for {
            // 获取键盘输入。 fmt.Scan --》 结束标记 \n 和 空格
            n, err := os.Stdin.Read(buf)            // buf[:n]
            if err != nil {
                fmt.Println("os.Stdin.Read err:", err)
                return
            }
            // 直接将读到键盘输入数据，写到 socket 中，发送给服务器
            conn.Write(buf[:n])
        }
    }()

    // 在 主go程中， 获取服务器回发数据。
    buf2 := make([]byte, 4096)
    for {
        // 借助 socket 从服务器读取 数据。
        n, err := conn.Read(buf2)
        if n == 0 {
            fmt.Println("客户端检查到服务器，关闭连接， 本端也退出")
            return
        }
        if err != nil {
            fmt.Println("os.Stdin.Read err:", err)
            return
        }
        fmt.Println("客户端读到：", string(buf2[:n]))
    }
}

  • TCP通信过程

下图是一次TCP通讯的时序图。TCP连接建立断开。包含大家熟知的三次握手和四次握手。


时序图.png

在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序。注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。

三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。好比两个人在打电话：

Client:“喂，你听得到吗？”

Server:“我听得到，你听得到我吗？”

Client:“我能听到你，今天balabala…”

建立连接（三次握手）的过程：

  1. 客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是上图中三次握手过程中的段1。客户端发出SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况。

    另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。

    mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。

  2. 服务器端回应客户端，是三次握手中的第2个报文段，同时带ACK标志和SYN标志。表示对刚才客户端SYN的回应；同时又发送SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。

    服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。

  3. 客户必须再次回应服务器端一个ACK报文，这是报文段3。
    客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出。

因此一共有三个段用于建立连接，称为“三方握手”。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如，双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。

数据传输的过程：

  1. 客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。

  2. 服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据。

  3. 客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

四次挥手

所谓四次挥手（Four-Way-Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务器任一方执行close来触发。好比两个人打完电话要挂断：

Client:“我要说的事情都说完了，我没事了。挂啦？”

Server:“等下，我还有一个事儿。Balabala…”

Server:“好了，我没事儿了。挂了啊。”

Client:“ok！拜拜”

关闭连接（四次握手）的过程：

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

  1. 客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。

  2. 服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。

  3. 服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。

  4. 客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三次握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

TCP状态转换

TCP状态图很多人都知道，它对排除和定位网络或系统故障时大有帮助。如果能熟练掌握这张图，了解图中的每一个状态，能大大提高我们对于TCP的理解和认识。下面对这张图的11种状态详细解析一下，以便加强记忆！不过在这之前，一定要熟练掌握TCP建立连接的三次握手过程，以及关闭连接的四次挥手过程。

TCP状态转换.png

CLOSED：表示初始状态。

LISTEN：该状态表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接。

SYN_SENT：这个状态与SYN_RCVD遥相呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，随即进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

SYN_RCVD: 该状态表示接收到SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂。此种状态时，当收到客户端的ACK报文后，会进入到ESTABLISHED状态。

ESTABLISHED：表示连接已经建立。

FIN_WAIT_1: FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。区别是：
FIN_WAIT_1状态是当socket在ESTABLISHED状态时，想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该socket进入到FIN_WAIT_1状态。

FIN_WAIT_2状态是当对方回应ACK后，该socket进入到FIN_WAIT_2状态，正常情况下，对方应马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般较难见到，而FIN_WAIT_2状态可用netstat看到。

FIN_WAIT_2：主动关闭链接的一方，发出FIN收到ACK以后进入该状态。称之为半连接或半关闭状态。该状态下的socket只能接收数据，不能发。

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，等2MSL后即可回到CLOSED可用状态。如果FIN_WAIT_1状态下，收到对方同时带 FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING:这种状态较特殊，属于一种较罕见的状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的 ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT:此种状态表示在等待关闭。当对方关闭一个SOCKET后发送FIN报文给自己，系统会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，察看是否还有数据发送给对方，如果没有可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，即关闭连接。所以在CLOSE_WAIT状态下，需要关闭连接。

LAST_ACK: 该状态是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，即可以进入到CLOSED可用状态。

2MSL (Maximum Segment Lifetime) 和与之对应的TIME_WAIT状态，可以让4次握手关闭流程更加可靠。4次握手的最后一个ACK是是由主动关闭方发送出去的，若这个ACK丢失，被动关闭方会再次发一个FIN过来。若主动关闭方能够保持一个2MSL的TIME_WAIT状态，则有更大的机会让丢失的ACK被再次发送出去。注意，TIME_WAIT状态一定出现在主动关闭这一方。

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