什么是TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)移

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?？偟膩碚f，TCP通信過程包括三個步驟：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行TCP協(xié)議通信時候的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

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

1static const char *const tcp_state_str[] = {
 2  "CLOSED",     //關(guān)閉狀態(tài)（無連接）
 3  "LISTEN",     //監(jiān)聽狀態(tài)
 4  "SYN_SENT",   //已發(fā)起請求連接（等待確認）
 5  "SYN_RCVD",   //已收到請求連接
 6  "ESTABLISHED",//穩(wěn)定連接狀態(tài)
 7  "FIN_WAIT_1", //單向請求終止連接狀態(tài)
 8  "FIN_WAIT_2", //對方已應(yīng)答請求終止連接
 9  "CLOSE_WAIT", //等待終止連接
10  "CLOSING",    //兩端同時關(guān)閉  
11  "LAST_ACK",   //服務(wù)器等待對方接受關(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)進入監(jiān)聽狀態(tài)，客戶端可以開始進行連接了。
• SYN_SENT：表示客戶端已經(jīng)發(fā)送了SYN報文請求連接（同時在等待服務(wù)器的確認）。當客戶端調(diào)用connect函數(shù)發(fā)起連接時，首先發(fā)SYN給服務(wù)端，然后自己進入SYN_SENT狀態(tài)，并等待服務(wù)端發(fā)送ACK+SYN報文（握手應(yīng)答報文）進行確認。
• SYN_RCVD：在每一個 TCP 連接建立時，都要進行三次握手，這個狀態(tài)表示服務(wù)器接收到客戶端發(fā)來的同步報文段（第一次握手），并且向客戶端發(fā)送了確認同步報文段（第二次握手）之后的狀態(tài)，在這個狀態(tài)時，其實連接已經(jīng)經(jīng)歷了兩次握手。
• ESTABLISHED：這個狀態(tài)是處于穩(wěn)定連接狀態(tài)，建立連接的TCP協(xié)議兩端的主機都是處于這個狀態(tài)，它們相互知道彼此的窗口大小、序列號、最大報文段等信息。
• FIN_WAIT_1與FIN_WAIT_2：處于這個狀態(tài)一般都是客戶端主機單向請求終止連接，然后主機等待服務(wù)器的回應(yīng)，而如果服務(wù)器產(chǎn)生應(yīng)答，則主機狀態(tài)轉(zhuǎn)移為FIN_WAIT_2，此時<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。此處有一個注意的地方：如果主機處于FIN_WAIT_2狀態(tài)，說明主機已經(jīng)發(fā)出了FIN報文段，并且服務(wù)器也已對它進行確認，除非客戶端是在實行半關(guān)閉狀態(tài)，否則將等待服務(wù)器主機的應(yīng)用層處理關(guān)閉連接，因為服務(wù)器已經(jīng)意識到它已收到FIN報文段，它需要發(fā)一個 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從FIN_WAIT_2狀態(tài)進入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報文段的時候，這意味著客戶端這端可能永遠保持這個FIN_WAIT_2狀態(tài)，從而無法 進入CLOSE_WAIT狀態(tài)，并一直占用這個端口連接或者socket，在嵌入式中，如果存在多個這種狀態(tài)的話，則這很可能導(dǎo)致內(nèi)存耗盡。
• CLOSE_WAIT：在收到客戶端主動斷開連接的 FIN 報文段（第一次揮手）后，服務(wù)器返回給客戶端確認報文段（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報文

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

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

一般說來，無論何時一個報文段發(fā)往基準的連接出現(xiàn)錯誤， TCP都會發(fā)出一個復(fù)位報文段（這里提到的基準的連接是指由目的 IP地址、目的端口號、源 IP地址和源端口號都是已知的連接。

此外產(chǎn)生復(fù)位的另一種常見情況是當連接請求到達時，目的端口并沒有在監(jiān)聽中，當一個數(shù)據(jù)報到達目的端口時，它將產(chǎn)生一個ICMP端口不可達的信息，同時TCP協(xié)議將進行復(fù)位，當然啦，在lwip中這些ICMP端口不可達報文都會被丟棄的，也不用管那么多。

TIME_WAIT狀態(tài)

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

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

我們來假設(shè)一下 ：假設(shè)沒有 TIME_WAIT 這種狀態(tài)?，F(xiàn)實中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是理想的。在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中，難免會有一些延時啊、丟包啊的情況發(fā)生。如果在客戶端的最后一個確認報文段發(fā)出去之后，由于某種原因，沒有到達服務(wù)端，服務(wù)端在超時后，就會向客戶端重新發(fā)一個 FIN 報文段，請求重傳這個已經(jīng)丟失的確認報文段。但由于在客戶端，連接實際上已經(jīng)斷開，端口已經(jīng)關(guān)閉。那么在客戶端收到這個報文段后，會向服務(wù)端發(fā)送一個 RST 報文段請求重連（這也是為什么我要在前面講解RST的原因 ），而此時服務(wù)器收到這個 RST報文段后，會認為是錯誤的，因為在服務(wù)器看來都沒斷開連接，它所期望收到的是確認報文段。所以這個時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，客戶端任然可能會收到服務(wù)器的最后一個確認報文段，但是由于序號不同（重新建立連接時的序號是隨機的，這點很重要，要記住），客戶端會要求服務(wù)端重傳數(shù)據(jù)包，這樣，連接就必然會混亂出錯。而在 TIME_WAIT 這種狀態(tài)等待一段時間是為了讓本次連接的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文都從網(wǎng)絡(luò)中消失，使得下一個新的連接不會出現(xiàn)舊的報文。

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

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