TCP状态转换详解

一、TCP的状态转换图示

状态转换图解

1.1、TCP标志位

CWR(Congestion Window Reduce)：拥塞窗口减少标志，由发送端设置，用来表明发送端接收到了设置ECE标志的TCP包，发送端通过降低发送窗口的大小来降低发送速率；
ECE(ECN Echo)：ECN响应标志，在TCP的3次握手时表明一个TCP端是具备ECN(Explicit Congestion Notification)功能的，并且表明接收到的TCP包的IP头部的ECN被设置为11，更多信息请参考RFC793；
URG(Urgent)：表示紧急标志(The Urgent Pointer)有效，目前已经很少使用；
ACK(Acknowledgment)：取值为1时表示确认号有效，这是一个确认的TCP包，取值为0则不是确认包；
PSH(Push)：该标志置位时，一般表示发送端缓存中已经没有待发送的数据，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快将数据转由应用处理，在处理Telnet或Rlogin等交互模式的连接时，该标志总是被置位的；
RST(Reset)：用于复位相应的TCP连接，通常在发生异常或者错误的时候会触发复位TCP连接；
SYN(Synchronize)：同步序列编号(Synchronize Sequence Numbers)有效，该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效，它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端(一般是客户端)的初始序列编号；
FIN(Finish)：带有该标志置位的数据包用来结束一个TCP会话，用来释放连接，表明发送方已经没有数据发送了；

1.2、TCP的状态含义

CLOSED：虚拟的起始点，在连接超时或者关闭时候进入此状态，这并不是一个真正的状态，而是一个假想的起点和终点；
LISTEN：表示服务器端的某个 SOCKET 处于监听状态，可以接受客户端的连接；
SYN_SENT：表示客户端已经发送了SYN报文。当客户端 SOCKET 执行 connect() 进行连接时，它首先发送 SYN 报文，然后随即进入到 SYN_SENT 状态，该状态
SYN_RCVD：表示服务器已经接收到了 SYN 报文，并且已经向客户端发送了SYN和ACK报文。在正常情况下，这是服务器端的一个短暂的中间状态，基本上用 netstat 很难看到这种状态。当 TCP 连接处于此状态时，再收到客户端的ACK 报文，它就会进入到 ESTABLISHED 状态；
ESTABLISHED：表示 TCP 连接已经成功建立，数据可以进行传输；
FIN_WAIT_1：表示主动关闭连接的一方已经向对方发送了FIN报文；
FIN_WAIT_2：表示主动关闭连接的一方已经收到了对方发送的ACK报文。该状态有时可以用 netstat 看到；
CLOSE_WAIT：表示被动关闭连接的一方已经收到了对方发送的FIN报文，并且自己已经发送了一个ACK报文给对方。接下来需要检查自己是否还有数据要发送给对方，如果没有的话就可以执行 close() 关闭这个 SOCKET 并发送 FIN 报文给对方，即关闭自己到对方这个方向的连接。有数据的话依据具体的策略（继续发送或者丢弃）去执行；
CLOSING：表示主动关闭连接的一方收到了对方发送的FIN报文，并没有收到对方的ACK报文，表示双方都正在关闭 SOCKET 连接。这种状态比较少见，但当双方几乎在同时 close() 一个 SOCKET 的话，就出现了双方同时发送 FIN 报文的情况，这时就会出现 CLOSING 状态；
LAST_ACK：表示被动关闭连接的一方已经发送了FIN报文，正在等待对方的ACK报文；
TIME_WAIT：表示主动关闭的一方已经收到了对方的FIN报文，并且也已经发送出了ACK报文。TIME_WAIT 状态下的 TCP 连接会等待 2*MSL（Max Segment Lifetime，最大分段生存期，指一个 TCP 报文在 Internet 上的最长生存时间。每个具体的 TCP 协议实现都必须选择一个确定的 MSL 值，RFC 1122 建议是 2 分钟，但 BSD 传统实现采用了 30 秒，Linux 可以 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout 看到本机的这个值）;

二、TCP的握手与挥手

TCP通信过程

2.1、三次握手

Client和Server的初始状态都是关闭状态，Server进入LISTEN状态后被动等待连接的建立；
Client主动建立连接，向Server发送TCP建连的报文，在报文中标志位SYN被置为1，将序列号seq被设置为x(传送报文时的第一个字节序号为x)，由于SYN标记在逻辑上占用一个序列号，因此实际数据传输的时候，TCP传输的数据中第一个byte对应的系列号为x+1，这个SYN包发送以后，Client进入SYN_SENT状态，等待Server回复ACK确认包；
Server在收到连接请求报文之后，发送确认报文。在确认报文中标志位SYN被置为1，ACK被置为1，同时确认号ack = x + 1，并设置seq = y，发送完此确认包之后，Server进入SYN_RCVD状态；
Client收到确认报文后，回复确认收到数据包，数据包中标志位ACK被置为1，确认号ack = y + 1，然后Client进入ESTABLISHED，Client的TCP通知上层应用进程，连接已经建立成功；
Server收到Client的回复确认数据包后，Server也进入ESTABLISHED状态，同时通知其上层应用进程当前TCP连接已经建立；

2.2、四次挥手

在B接收到A的确认包后，B立即进入关闭状态。A和B都进入关闭状态后整个TCP连接释放。

初始状态下Client和Server都是处于ESTABLISHED状态；
当应用层没有带发送的数据并且要Client关闭TCP连接的时候，A在要释放连接的报文中将标志位FIN设置为1，ACK设置为1，将序列号seq设置为u，确认号ack设置为v，然后Client进入FIN_WAIT_1状态等待Server的确认；
Server收到Client的FIN包之后，发送确认包（由于FIN包与SYN包都在逻辑上占1byte，因此确认号ack = u + 1，而这个报文段自己的序号为seq = v），然后Server进入CLOSE_WAIT状态，TCP服务器进程通知应用层进程；
Client收到Server的确认包之后，Client进入FIN_WAIT_2状态；
如果Server已经没有要向Client发送的数据，上层应用进程就通知TCP释放连接，Server就会发送释放连接的数据包（标志位FIN被置为1，ACK被置为1，序列号seq = v，确认号ack = u + 1），然后Server进入LAST_ACK状态；
当Client收到释放连接的数据包后，必须要发送确认数据包，在确认报文中将标志位ACK置为1，确认号ack = v + 1，序列号seq = u + 1，然后Client进入TIME_WAIT状态，在TIME_WAIT状态下，Client经过2MSL的事件后就会进入CLOSED状态；
当Server收到Client的确认包之后，Server立刻进入CLOSED状态，当Client和Server都进入CLOSED状态后，整个TCP连接将被释放；

三、一些问题

3.1、为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

服务端的 LISTEN 状态下的 SOCKET 当收到 SYN 报文的连接请求后，它可以把 ACK 和 SYN（ACK 起应答作用，而 SYN 起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的 FIN 报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭 SOCKET，也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送 FIN 报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的 ACK 报文和 FIN 报文多数情况下都是分开发送的。

3.2、为什么 TIME_WAIT 状态还需要等 2MSL 后才能返回到 CLOSED 状态？

可靠的实现 TCP 全双工连接的终止：TCP 协议在关闭连接的四次握手过程中，最终的 ACK 是由主动关闭连接的一端（后面统称 A 端）发出的，如果这个 ACK 丢失，对方（后面统称 B 端）将重发出最终的 FIN，因此 A 端必须维护状态信息（TIME_WAIT）允许它重发最终的 ACK。如果 A 端不维持 TIME_WAIT 状态，而是处于 CLOSED 状态，那么 A 端将响应 RST 分节，B 端收到后将此分节解释成一个错误。因而，要实现 TCP 全双工连接的正常终止，必须处理终止过程中四个分节任何一个分节的丢失情况，主动关闭连接的 A 端必须维持 TIME_WAIT 状态。
允许老的重复分节在网络中消逝（避免同一端口对应多个套接字）：TCP 分节可能由于路由器异常而迷途，在迷途期间，TCP 发送端可能因确认超时而重发这个分节，迷途的分节在路由器修复后也会被送到最终目的地，这个迟到的迷途分节到达时可能会引起问题。在关闭前一个连接之后，马上又重新建立起一个相同的 IP 和端口之间的新连接，前一个连接的迷途重复分组在前一个连接终止后到达，而被新连接收到了。为了避免这个情况，TCP 协议不允许处于 TIME_WAIT 状态的连接启动一个新的可用连接，因为 TIME_WAIT 状态持续 2MSL，就可以保证当成功建立一个新 TCP 连接的时候，来自旧连接重复分组已经在网络中消逝；

3.3、关闭 TCP 连接一定需要四次挥手吗？

不一定，四次挥手关闭 TCP 连接是最安全的做法。但在有些时候，我们不喜欢 TIME_WAIT 状态（如当 MSL 数值设置过大导致服务器端有太多 TIME_WAIT 状态的 TCP 连接，减少这些条目数可以更快地关闭连接，为新连接释放更多资源），这时我们可以通过设置 SOCKET 变量的 SO_LINGER 标志来避免 SOCKET 在 close() 之后进入 TIME_WAIT 状态，这时将通过发送 RST 强制终止 TCP 连接（取代正常的 TCP 四次握手的终止方式）；