TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)移

在前一篇文章【面試必考】TCP協(xié)議“三次握手”與“四次揮手”已經(jīng)介紹了TCP協(xié)議的三次握手和四次揮手。總的來說，TCP通信過程包括三個(gè)步驟：建立TCP連接（三次握手）、數(shù)據(jù)傳輸、終止TCP連接（四次揮手）。但是在這個(gè)通信過程中，有非常復(fù)雜的狀態(tài)問題，下面就來了解一下進(jìn)行TCP協(xié)議通信時(shí)候的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

TCP協(xié)議根據(jù)連接時(shí)接收到報(bào)文的不同類型，采取相應(yīng)動(dòng)作也不同，還要處理各個(gè)狀態(tài)的關(guān)系，如當(dāng)收到握手報(bào)文時(shí)候、超時(shí)的時(shí)候、用戶主動(dòng)關(guān)閉的時(shí)候等都需要不一樣的狀態(tài)去采取不一樣的處理。在LwIP中，為了實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議的狀態(tài)描述，定義了11種連接時(shí)候的狀態(tài)：

1static const char *const tcp_state_str[] = {
 2  "CLOSED",     //關(guān)閉狀態(tài)（無(wú)連接）
 3  "LISTEN",     //監(jiān)聽狀態(tài)
 4  "SYN_SENT",   //已發(fā)起請(qǐng)求連接（等待確認(rèn)）
 5  "SYN_RCVD",   //已收到請(qǐng)求連接
 6  "ESTABLISHED",//穩(wěn)定連接狀態(tài)
 7  "FIN_WAIT_1", //單向請(qǐng)求終止連接狀態(tài)
 8  "FIN_WAIT_2", //對(duì)方已應(yīng)答請(qǐng)求終止連接
 9  "CLOSE_WAIT", //等待終止連接
10  "CLOSING",    //兩端同時(shí)關(guān)閉  
11  "LAST_ACK",   //服務(wù)器等待對(duì)方接受關(guān)閉
12  "TIME_WAIT"   //關(guān)閉成功（2MSL等待狀態(tài)）
13};

• LISTEN：表示監(jiān)聽狀態(tài)。服務(wù)器調(diào)用了listen函數(shù)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，客戶端可以開始進(jìn)行連接了。
• SYN_SENT：表示客戶端已經(jīng)發(fā)送了SYN報(bào)文請(qǐng)求連接（同時(shí)在等待服務(wù)器的確認(rèn)）。當(dāng)客戶端調(diào)用connect函數(shù)發(fā)起連接時(shí)，首先發(fā)SYN給服務(wù)端，然后自己進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，并等待服務(wù)端發(fā)送ACK+SYN報(bào)文（握手應(yīng)答報(bào)文）進(jìn)行確認(rèn)。
• SYN_RCVD：在每一個(gè) TCP 連接建立時(shí)，都要進(jìn)行三次握手，這個(gè)狀態(tài)表示服務(wù)器接收到客戶端發(fā)來的同步報(bào)文段（第一次握手），并且向客戶端發(fā)送了確認(rèn)同步報(bào)文段（第二次握手）之后的狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)時(shí)，其實(shí)連接已經(jīng)經(jīng)歷了兩次握手。
• ESTABLISHED：這個(gè)狀態(tài)是處于穩(wěn)定連接狀態(tài)，建立連接的TCP協(xié)議兩端的主機(jī)都是處于這個(gè)狀態(tài)，它們相互知道彼此的窗口大小、序列號(hào)、最大報(bào)文段等信息。
• FIN_WAIT_1與FIN_WAIT_2：處于這個(gè)狀態(tài)一般都是客戶端主機(jī)單向請(qǐng)求終止連接，然后主機(jī)等待服務(wù)器的回應(yīng)，而如果服務(wù)器產(chǎn)生應(yīng)答，則主機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移為FIN_WAIT_2，此時(shí)<客戶端 -> 服務(wù)器 >方向上的TCP連接就斷開，但是<服務(wù)器 -> 客戶端>方向上的連接還是存在的。此處有一個(gè)注意的地方：如果主機(jī)處于FIN_WAIT_2狀態(tài)，說明主機(jī)已經(jīng)發(fā)出了FIN報(bào)文段，并且服務(wù)器也已對(duì)它進(jìn)行確認(rèn)，除非客戶端是在實(shí)行半關(guān)閉狀態(tài)，否則將等待服務(wù)器主機(jī)的應(yīng)用層處理關(guān)閉連接，因?yàn)榉?wù)器已經(jīng)意識(shí)到它已收到FIN報(bào)文段，它需要發(fā)一個(gè) FIN 來關(guān)閉<服務(wù)器 -> 客戶端>方向上的連接。這樣客戶端這端才會(huì)從FIN_WAIT_2狀態(tài)進(jìn)入TIME_WAIT狀態(tài)。如果是網(wǎng)絡(luò)不好或者是服務(wù)器不發(fā)送FIN報(bào)文段的時(shí)候，這意味著客戶端這端可能永遠(yuǎn)保持這個(gè)FIN_WAIT_2狀態(tài)，從而無(wú)法 進(jìn)入CLOSE_WAIT狀態(tài)，并一直占用這個(gè)端口連接或者socket，在嵌入式中，如果存在多個(gè)這種狀態(tài)的話，則這很可能導(dǎo)致內(nèi)存耗盡。
• CLOSE_WAIT：在收到客戶端主動(dòng)斷開連接的 FIN 報(bào)文段（第一次揮手）后，服務(wù)器返回給客戶端確認(rèn)報(bào)文段（第二次揮手）后的狀態(tài)。
• TIME_WAIT狀態(tài)：TIME_WAIT狀態(tài)也稱為 2MSL等待狀態(tài)。

具體見下圖：

• . 紅色虛線：表示服務(wù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

• . 黑色實(shí)線：表示客戶端的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

  

  TCP協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移

RST報(bào)文

順便再提一點(diǎn)不太常見的TCP協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移，主要是針對(duì)服務(wù)器端的（綠色那條）：

1. 服務(wù)器在收到SYN握手報(bào)文后，再收到了客戶端的RST報(bào)文，那么它會(huì)重新進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，再重新等待連接。

一般說來，無(wú)論何時(shí)一個(gè)報(bào)文段發(fā)往基準(zhǔn)的連接出現(xiàn)錯(cuò)誤， TCP都會(huì)發(fā)出一個(gè)復(fù)位報(bào)文段（這里提到的基準(zhǔn)的連接是指由目的 IP地址、目的端口號(hào)、源 IP地址和源端口號(hào)都是已知的連接。

此外產(chǎn)生復(fù)位的另一種常見情況是當(dāng)連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，目的端口并沒有在監(jiān)聽中，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的端口時(shí)，它將產(chǎn)生一個(gè)ICMP端口不可達(dá)的信息，同時(shí)TCP協(xié)議將進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)然啦，在lwip中這些ICMP端口不可達(dá)報(bào)文都會(huì)被丟棄的，也不用管那么多。

TIME_WAIT狀態(tài)

第一次看這個(gè)轉(zhuǎn)移圖的時(shí)候，可能很多人都有疑惑，為什么要有一個(gè) TIME_WAIT 狀態(tài)？為什么不能直接到達(dá) CLOSED 狀態(tài)？

每個(gè)具體TCP連接的實(shí)現(xiàn)必須選擇一個(gè)TCP報(bào)文段最大生存時(shí)間MSL（Maximum Segment Lifetime），就如IP數(shù)據(jù)報(bào)中的TTL字段表示報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中生存的時(shí)間一樣。MSL是任何報(bào)文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長(zhǎng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是有限的，為什么需要等待呢？我們知道 IP數(shù)據(jù)報(bào) 是不可靠的，而TCP報(bào)文段是封裝在IP數(shù)據(jù)報(bào)中，TCP協(xié)議必須保證發(fā)出的 ACK 報(bào)文段是正確被對(duì)方接收， 因此處于該狀態(tài)的主機(jī)必須在這個(gè)狀態(tài)停留最長(zhǎng)時(shí)間為2倍的MSL，以防最后這個(gè)ACK丟失，因?yàn)門CP協(xié)議必須保證數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確送達(dá)目的地。

我們來假設(shè)一下 ：假設(shè)沒有 TIME_WAIT 這種狀態(tài)。現(xiàn)實(shí)中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是理想的。在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中，難免會(huì)有一些延時(shí)啊、丟包啊的情況發(fā)生。如果在客戶端的最后一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段發(fā)出去之后，由于某種原因，沒有到達(dá)服務(wù)端，服務(wù)端在超時(shí)后，就會(huì)向客戶端重新發(fā)一個(gè) FIN 報(bào)文段，請(qǐng)求重傳這個(gè)已經(jīng)丟失的確認(rèn)報(bào)文段。但由于在客戶端，連接實(shí)際上已經(jīng)斷開，端口已經(jīng)關(guān)閉。那么在客戶端收到這個(gè)報(bào)文段后，會(huì)向服務(wù)端發(fā)送一個(gè) RST 報(bào)文段請(qǐng)求重連（這也是為什么我要在前面講解RST的原因 ），而此時(shí)服務(wù)器收到這個(gè) RST報(bào)文段后，會(huì)認(rèn)為是錯(cuò)誤的，因?yàn)樵诜?wù)器看來都沒斷開連接，它所期望收到的是確認(rèn)報(bào)文段。所以這個(gè)時(shí)候客戶端是不允許直接CLOSE關(guān)閉了事的，因此它需要等待服務(wù)器確認(rèn)了，再CLOSE。

再假設(shè)一下：如果沒有 TIME_WAIT 這種狀態(tài)，客戶端在關(guān)閉連接后，再次成功建立新的連接，客戶端任然可能會(huì)收到服務(wù)器的最后一個(gè)確認(rèn)報(bào)文段，但是由于序號(hào)不同（重新建立連接時(shí)的序號(hào)是隨機(jī)的，這點(diǎn)很重要，要記住），客戶端會(huì)要求服務(wù)端重傳數(shù)據(jù)包，這樣，連接就必然會(huì)混亂出錯(cuò)。而在 TIME_WAIT 這種狀態(tài)等待一段時(shí)間是為了讓本次連接的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報(bào)文都從網(wǎng)絡(luò)中消失，使得下一個(gè)新的連接不會(huì)出現(xiàn)舊的報(bào)文。

而 TIME_WAIT 狀態(tài)的等待時(shí)間一般是 2MAL ，并且客戶端連接的端口沒有釋放，這樣，讓前一個(gè)連接的報(bào)文段有足夠的時(shí)間被處理或者丟棄，也就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。

這才是TCP協(xié)議優(yōu)雅且可靠的終止連接方式啊！太強(qiáng)大了，我得膜拜一下~