TCP四次挥手详解(含常见面试题)

Posted 2023-04-07 small_engineer

TCP四次挥手过程

1. 客户端发起fin位为1的FIN报文，此时客户端进入FIN_WAIT_1状态
2. 服务端接受到FIN 报文后，发送ack应答报文，此时服务端进入close_wait状态
3. 客户端接受到ack应答报文后，进入FIN_WAIT_2状态
4. 服务端处理完数据后，向客户端发送FIN报文，此时服务端进入LAST_ACK状态
5. 客户端接受到FIN报文后，客户端发送应答ack报文，进入TIME_WAIT阶段
6. 服务端接受到ack报文后，断开连接，处于close状态
7. 客户端过一段时间后，也就是2MSL后，进入close状态

主动关闭连接的，才有TIME_WAIT状态

为什么挥手需要四次？

由于 TCP 的半关闭（half-close）特性，TCP 提供了连接的一端在结束它的发送后还能接收来自另一端数据的能力。

任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知，待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候，则发出连接释放通知，对方确认后就完全关闭了TCP连接。
通俗的来说，两次握手就可以释放一端到另一端的 TCP 连接，完全释放连接一共需要四次握手。

举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说 “我没啥要说的了”，B 回答 “我知道了”，于是 A 向 B 的连接释放了。但是 B 可能还会有要说的话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，于是 B 向 A 的连接释放了，这样整个通话就结束了。

挥手报文丢失会发生什么？

第一次挥手丢失

当客户端调用close函数后，就会向服务端发送FIN报文，试图与服务端断开联系，此时客户端进入FIN_WAIT_1状态。

如果客户端一直收不到ack应答报文的话，就会触发超时重传机制，最大重传次数由tcp_orphan_retries参数决定。当超过指定次数时，就不再发送报文，直接进入close状态

第二次挥手丢失

当接受到客户端的FIN报文，就会先回应一个ack报文，此时服务端进入close_wait状态。

当ack报文丢失时，ack是不会重传的。服务端的ack报文丢失了，客户端就会触发超时重传，直到收到ack报文或则到达超时重传次数

第三次挥手丢失

当服务端接收到客户端的fin报文时，内核会自动回复ack应答报文，然后处于CLOSE_WAIT状态，他必须等待应用进程调用close函数关闭连接。

调用close函数后，内核就会发出FIN报文，进入LAST_ACK状态，等待客户端返回ack来确认关闭连接。

如果服务端没有收到ack，则会跟客户端重传FIN报文一样

第四次挥手丢失

当客户端接收到服务端发来的FIN报文后，就会回应ack应答报文，进入TIME_WAIT状态。

服务端没有收到ack报文之前，还是处于LAST_ACK状态

如果服务端没有收到ack报文的话，服务端就会重发FIN报文，重发次数仍然由tcp_orphan_retries参数控制

为什么需要TIME_WAIT状态

主要是两方面：

• 防止错误接收历史报文
• 保证双方能够正常关闭

防止错误接收历史报文

tcp序列号可能会发生绕回问题，这就意味着无法通过tcp序列号来判断是不是历史报文。(时间戳可以解决是不是历史报文问题，时间戳还可以精确计算RTT)

假设没有TIME_WAIT状态，那么在关闭连接前有个报文被延迟了。关闭后，又重新建立了相同四元组的连接，此时前一个被延迟的数据包到达了(没有到达最大生存时间)，并且正好在接收窗口内，那么服务端就会错误接收，使得数据混乱。

因此有了这个TIME_WAIT字段，可以保证两边的历史数据都被丢弃了，以后的数据包都是新建立连接的。

保证双方能够正常关闭

如果没有TIME_WAIT状态的话，客户端最后一次发送ack应答报文后就进入了close阶段。如果服务端没有收到ack报文的话，就会重传FIN报文，而此时客户端已经close了，就会返回一个RST错误报文。

而有了TIME_WAIT状态的话，客户端并不会着急关闭，而是等待了2MSL再关闭，这样的话就算重传的fin报文也能正确响应，保证了服务端的正确关闭
这里客户端重新接收到了重发的fin报文，time_wait就会重置（也是为了重复报文的消失，不然的话ack报文可能就会到下一次连接中了），相当于可以重传多次fin报文，直到fin报文上限

为什么TIME_WAIT等待时间是2MSL？

MSL是报文的最大生存时间,超过这个时间，报文就将丢弃。
因为tcp是基于ip协议的，ip头中有一个ttl字段，表示ip数据包可以经过的最大路由数。每经过一个节点时，就减一，减为0则丢弃报文。
MSL和TTL的区别：MSL的单位是时间，而TTL的单位则是路由跳数。所以MSL应该大于等于TTL的时间，确保报文已经消亡

TIME_WAIT比较合理的解释是：确保对方能够收到最后一个ack报文，如果服务端没有收到最后的ack报文，就会触发超时重传fin报文，从客户端发送ack报文到接到到服务端重传的fin报文，一去一来，最晚要2msl

为什么不是1MSL？？

• 因为1MSL可能导致历史数据还没有消亡，导致被后面相同的四元组接收。比如服务端重发的fin报文
• 客户端发送的ack报文不允许丢失，不然重发的fin报文不能抵达客户端，导致服务端RST关闭

为什么不是4MSL或8MSL

• 因为如果客户端发送的ack报文丢失，服务端重发的fin报文也丢失了，那么2MSL就不起作用了。那么需要给它设置更长时间？？我们设想在一个丢包率为1%的糟糕网络中，两次连续丢包的概率为万分之一，忽略它显然给解决它更具有实际意义

TIME_WAIT过多有什么危害？

• 服务端受内存资源占用
  当服务端有过多的的TCP连接时，虽然理论上可以建立很多连接，因为一个服务端只监听一个端口，不会导致端口资源受限。但是tcp连接需要占用系统资源，比如cpu资源，文件描述符，线程资源等等
• 客户端受端口资源的占用
  一个tcp占用一个发起连接方的一个本地端口，如果tcp连接过多，则会导致端口资源不足，无法建立新连接

如何优化TIME_WAIT？？

• 打开net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 net.ipv4.tcp_timestamps 选项
  net.ipv4.tcp_tw_reuse之只能用于客户端，当有连接时，客户端会随机找一个time_wait状态超过1s的连接给新连接复用。
  net.ipv4.tcp_timestamps开启时间戳，可以保证历史连接不会被下一个相同的四元组接收
• net.ipv4.tcp_max_tw_buckets
  这个值默认为18000，当系统处于time_wait状态的连接大于这个值时，后面的连接状态就会被重置，不会产生新的time_wait状态
• 程序中使用 SO_LINGER
  
  当l_onoff为非0，l_linger为0时，调用close关闭连接时就会直接发送RST报文，直接跳过四次挥手阶段

如果服务端要尽量避免TIME_WAIT状态的连接，就尽量不要让服务端来断开连接，承受time_wait状态，而是尽量让我们发布各地的客户端来断开连接

《UNIX网络编程》一书中却说道：TIME_WAIT 是我们的朋友，它是有助于我们的，不要试图避免这个状态，而是应该弄清楚它。

如果已经建立了连接，但是另一端突然出现故障，会发生什么？？？

TCP有一个保活机制，当一端时间相互直接没有发送数据时，就会触发保活机制。即每隔一段时间都发送一次探测报文给对方，如果几次都不回应的话，就会认为对方已经死亡了，那么就会断开连接。
如果需要使用保活机制，那么需要在soket接口设置so_keepliive才能生效，如果没有设置，则不可以生效
TCP的检测时间有点长，我们可以在应用层实现一个心跳机制。
web服务一般都会提供time_keeplive参数，用来指定http长连接超时时间。

三次握手四次挥手常见面试题

常见面试题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

答：3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

答：TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。