TCP连接的建立与终止过程

Posted 2022-11-28 the_scent_of_th_soul

我们知道，网络间的通信简单的从应用层来看，就是同一或者不同主机上的进程之间进行信息传送和/或接收。在信息传输的过程中我们需要遵循一定的规则。
举个简单例子，假如我想传送一个信息A给你，那么按照特定的规则我发送的A在传输的过程中实际上是以A++的形式存在的。但是你收到的信息还是A。说明在传输过程中我的信息被“规则化”了以后又被“规则化”回来了。这种“规则”，就是我们平时所说的协议。即，要按照它的格调办事。
本次所讨论的对象TCP协议就是这些规则的一种。也就是说，如果我们在网络上通信时遵循TCP协议的话，就得按照它的格调来。
TCP协议是一个面向连接的协议，无论是在哪一方向另一方发送数据之前，都必须在双方之间建立一条连接，按照上面所说的，“必须建立连接”就是TCP格调的一部分。
利用TCP协议通信的最简单三个步骤是：

1.双方之间建立一条连接
2.信息传送与接收
3.断开这条连接

注意：本文经常会提到“通信”一词，这里就简单的指进程之间通过网络进行信息交流与传递。
这里有个疑问，是不是建立好连接就能进行通信，通信完成后就关闭或者断开这条连接呢？是的。正常情况下本来就是这么简单方便容易理解记忆加操作！但是，很多时候，情况它不正常。那么不正常指的是什么呢？我们先把问题放在这里，来看一下最正常的情况吧。

在分析这张简单的图之前我们先来看一些概念：

SYN：同步序号，是TCP建立连接时使用的握手信号
ack：接收端给发送端的一种传输类控制字符，表示发来的数据已确认接收无误
FIN：TCP终止时使用的挥手信号

以下，我们就用“服务器”和“客户端”这两个名词来代表我们所讨论的通信两端。

TCP连接时，
服务器端通过socket、bind、listen这三个系统调用函数来完成接收外来连接的准备阶段。
当客户端需要向服务器发送连接请求之时，要创建好套接字。
两端都准备好了以后就可以完成如图1所示的TCP正常连接了。

就像打电话时双方都需要手机和电话号码一样，TCP连接需要一个套接字对。一个TCP套接字对是一个定义该连接的两个端点的四元组。本地IP地址、本地TCP端口号、外地IP地址、外地TCP端口号。每个套接字对唯一标识一个网络上的一个TCP连接。

标识每个端点的两个值（IP地址和端口号）通常称一个套接字。
图1又叫三次握手，过程如下：
（1）客户端通过调用系统调用函数connect函数发起主动打开，这导致客户端TCP发送一个SYN给服务器端，表示我要连你。
（2）服务器接收到请求以后，发送一个ack告诉客户端说我知道了，同时发送一个SYN给客户端说你已经连在我这里了，准备发数据吧。
（3）客户端收到以后发一个ack给服务器说我知道我能发数据了，发不发看心情。

具体连接的细节我没有介绍，我主要简单介绍一下大致过程以及这其中比较特别的一些情况。

连接好以后双方就可以互相发送和接收数据了，入图3所示

图2又叫四次挥手，如图所示其过程如下：
（1）客户端首先系统调用函数close，（当然也可以是服务器先调用先关闭，这里讲比较常见的情况）主动关闭连接，客户端TCP发送一个FIN给服务器端说我不需要连接了咱们断连吧。
（2）服务器端TCP确认客户端的FIN并且发送ack给客户端说我知道了，知道你不会再发数据给我了。
（3）过了一会儿，服务器调用close关闭客户端在这边连接的那个套接字，同时给客户端发送一个FIN说我把在我上面的连接关了。
（4）客户端收到FIN以后给服务器发送一个ack表示知道自己跟服务器那边没关系了，然后安心的死了。

好了，以上就是TCP连接传送数据最理想最简单的情况，我上面也提到，通常是没有这么简单的，因为它老是发生“意外”，有好的也有不好的，我们把这些“意外”统称为“特殊情况”。
下面，我们来看一下这些情况：####

TCP的半关闭：

先上图：

先注意：发送一个FIN就表示，我不会再给你发送数据了。
TCP提供了连接的一端在结束它的发送后（发了一个FIN），还能接收来自另一端数据 的能力。直到对方发送过来一个FIN就彻底断开不再（丧失）接收。

我们看着图4中的六个箭头来一步一步分析：
（1）客户端给服务器发送一个FIN，说我想死，不会再给你发数据了。
（2）服务器给客户端发送一个ack，表示我知道你不会再给我发了。
但是，服务器这边还有数据要发给客户端呀，而且刚好客户端现在的状 态是能接收，所以，
（3）服务器端把数据发送给客户端。
（4）客户端就很不矜持的接收了并且发给服务器一个ack，说我收到你的数据啦。
当服务器一看没啥好发的了，你不是想断嘛，那就把你断了吧。
（5）服务器把客户端在它上面的连接断了，发给客户端一个FIN说我已经把你断了不会再给你发了。
（6）客户端收到FIN以后给服务器发送一个ack表示知道自己跟服务器那边没关系了，然后安心的死了。

为了能使用TCP的半关闭特性，编程接口必须为应用程序提供一种方式来说明。
方式就是，图4中客户端在发FIN的时候不再调用close而改调用shutdown，且第二个参数置为1，此时插口的API支持半关闭。

然而，虽然TCP有这种能力但是用得少，一般就是把数据接收完了再发送FIN想死也来得及嘛。不过人家也确实有派的上用场的时候，只是情况比较少而已，应用程序（例图4客户端），一般都是通过调用close来终止两个方向的连接。

RST：表示要求对方重新建立连接

在某些情况下，一端会发送给对方一个RST要求重新连接，然后如果双方本来就没有连接就算了，如果原来已有连接的话就断开自身这端的连接。

我在网上看到一篇博文儿介绍了RST可能出现的几种情况感觉很详细这里贴一个超链吧，感兴趣的可以自己去看：几种TCP连接中出现RST的情况。该文里面有一些小问题，比如里面讲请求超时连接时，应该把“主机27很不友好”改为“主机89很不友好”。

在这里我还是简单根据上述博文的内容提一下几种TCP连接中出现RST的情况：

（1）服务器程序端口未打开而客户端来连接：此时有些操作系统上的主机会回应一个RST给客户端，而有些操作系统上的主机则不予理会。
（2）请求超时：例如，客户端发送一个SYN给服务器端，服务器端在超时之前没有给客户端回应ack或/和SYN，则客户端会发送一个SYN给服务器端拒绝进一步连接。
（3）提前关闭：例如，你给我发5个数据，我只接三个还有两个不接，然后我关闭连接，给你发一个RST说我不接了，咱重连吧。
（4）在一个已关闭的socket上收到数据，就会给对方发送一个RST。

简单地说就是，不管是不接收连接还是不接收数据，只要我不接收你，我就给你发送一个RST。不管以前有没有连接过，都断了，给我重连。

说了这么多，下面来考虑一种情况检测检测：服务器主机崩溃重启后，会给发送数据过来的客户端发送一个RST，属于那种情况呢？
没错，属于不接收数据的情况。
因为当服务器崩溃后重启时，它的TCP丢失了崩溃前所有的连接信息，TCP连接是安全可靠的，我都不认识你当然不会接收你的数据，给你一个RST，你重新来连我吧。

其实说到这里下面我就应该上TCP状态转移图了，那么我就上个图吧。（这是在一篇博文里找的图本来准备附链接但没附，关键是要理解图的含义）

感觉我上面把状态大致过程都说得差不多了，结合到图中就是每发送或接收一次信息就变一个状态。这里我只对上图中的三个状态加以描述。

（1）同时打开：同时打开就是两端同时执行主动打开，这种可能性极小但是存在。为了处理同时打开TCP还特意设计了一番，对于这种同时打开，TCP建立一条连接而不是两条（其他好多协议组建立两条）。
两端几乎同时发送SYN并进入SYN_SENT状态，当每一端收到SYN时，状态变为SYN_RCVD状态。同时它们都再发送SYN（本来服务器该干的事）并对收到的SYN（本来服务器第二步时客户端第三步时该干的事）进行确认。当双方都收到SYN及相应ACK时，状态都变迁为ESTABLISHED。需要注意的是：这里的两端每一端都既是服务器又是客户端。

（2）ESTABLISHED：这个状态时表示三次握手已经完成可以传送数据啦。
（3）TIME_WAIT：也称等待2MSL状态。每个具体TCP实现必须选择一个报文段最大生存时间MSL，它是任何报文段（数据）被丢弃前在网络内的最长时间。
其实我一开始特别不理解，为什么要有TIME_WAIT这个状态呢，明明都已经死了啊！那就是没状态了嘛还给它时间等啥，直接到CLOSED就好了啊。
后来，我找到了它存在的两个理由，概述如下：
a.可靠地实现TCP全双工连接的终止：维护连接一定时间以防最后一个确认ask需要重发。这也就解释了为什么TIME_WAIT 端总是执行主动关闭的那一端。因为可能不得不重传最终那个ack的就是那一端。
b.允许老的重复报文段在网络中消逝：例，我们关闭一个连接A，过一段时间后在相同的IP地址和端口号之间建立一个新连接B，因为A和B的IP地址和端口号都相同，如果老连接A断开的时间还不到MSL，B连接就能传送数据了，此时假如连接A再传送数据则很有可能会被连接B误当成是自己连接中的数据来传送。为了解决这个问题，TCP将不给TIME_WAIT状态的连接（IP地址和端口号）发起新的连接，等过了TIME_WAIT这个状态后已经过去2MSL时间了，连接中的数据早就在网络中消逝了，此时再发起的新的连接就不会收到老的重复数据了。