17TCP协议之四次挥手

Posted 2021-04-15 蜗牛爬啊爬

    在 TCP 中，既然有握手来建立连接，就有挥手跟你拜拜，断开连接。为什么要断开连接呢？如果没有挥手，那么就会无限期保持连接，我们要知道，TCP 的连接是要占用系统资源的，比如端口号和内存，大家都占着茅坑不拉屎的话，很快厕所就满了。在 TCP 的世界里，挥手是冷冰冰的指令，而在我们的生活中，挥手往往显得那么沉重！

想起吴奇隆的《祝你一路顺风》：

当你背上行囊 卸下那份荣耀

我只能让眼泪留在心底

面带着微微笑 用力的挥挥手

祝你一路顺风

一、前言

    挥手，即告别的意思，让我想起昨天看的金刚川这部电影。

    没错，张译和吴京把我拉回了电影院，钦佩两人自然而细腻的演技，尤其是张译那略带羞赧的表演。此外，个人喜欢战争题材的电影，因为残酷的背景更让我愿意去相信这群人的信仰。当代人距离那场战争已越来越遥远了，和平的年代让很多人忘记了对生命的尊重和对和平的珍惜，实际上是对这个时代最大福报的忽视。

    这部电影让我泪目、印象最深的是老关（吴京）与张飞（张译）的对话：

• 老关：要不，把你炮弹匀我十发，也算你心疼我？

• 张飞：能成！

    这两句话在电影中说出时，我相信了他们之间表面互相嫌弃、埋怨，实际上极为亲近的战友关系，两个惺惺相惜的生命开始熠熠生辉起来了。随后，老关便先牺牲了，一瞬间身体直接被炮弹打碎，他两从此分别！

    下面言归正传。转向今天的主角：TCP四次挥手。

二、天下没有不散的宴席

• stephen：收到（ACK），不过我刚才说的话还没说完，你下面就听我把最后两句话说完哈，巴拉巴拉。。。

    这里用到了上篇文章中说的FIN标志位。

该位为 1 时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换 FIN 位置为 1 的 TCP 段。

上图主要包含以下几个步骤：

• ①客户端打算关闭连接，此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文，也即 FIN 报文，之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。（FIN 段是可以携带数据的，比如客户端可以在它最后要发送的数据块可以“捎带” FIN 段。当然也可以不携带数据。客户端发送 FIN 包以后不能再发送数据给服务端，但是还可以接受服务端发送的数据。这个状态就是所谓的「半关闭（half-close）」）

• ②服务端收到该报文后，就向客户端发送 ACK 应答报文，接着服务端进入 CLOSED_WAIT 状态。

• ③客户端收到服务端的 ACK 应答报文后，之后客户端进入 FIN_WAIT_2 状态。

• ④等待服务端处理完数据后，也向客户端发送 FIN 报文，之后服务端进入 LAST_ACK 状态。

• ⑤客户端收到服务端的 FIN 报文后，回一个 ACK 应答报文，之后客户端进入 TIME_WAIT 状态。

• ⑥服务器收到了 ACK 应答报文后，服务端进入了 CLOSE 状态，至此服务端已经完成连接的关闭。

• ⑦客户端在经过 2MSL 一段时间后，客户端自动进入 CLOSE 状态，至此客户端也完成连接的关闭。

    提一句，里面的序列号和确认号就不多说了，都是基于开始确定的数进行累加，所以这里图上就忽略了对这两个数字的说明。

    我们可以从上面流程中看到，每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK，因此通常被称为四次挥手。这里一点需要注意是：主动关闭连接的，才有 TIME_WAIT 状态。

    为什么要挥手四次？为什么不能是3次呢?原因是：

• 关闭连接时，客户端向服务端发送 FIN 时，仅仅表示客户端不再发送数据了，但是客户端还能接收数据。

• 服务器收到客户端的 FIN 报文时，先回一个 ACK 应答报文，而服务端可能还有数据需要处理和发送，等服务端不再发送数据时，才发送 FIN 报文给客户端来表示同意现在关闭连接。

    可以看到，一般情况下，主动发起断开的一方肯定是因为它已经没有更多数据要发送了，不过服务端呢？往往还是有数据没发完的，还要继续发给客户端。这个情况下，如果先不回复ACK的话，客户端有可能会误以为服务端没收到而重发不必要的FIN包，如下图所示。所以服务端先发ACK，等数据发完了再发FIN。服务端的这个逻辑是不是很像HTTP异步回执处理，先回个OK我收到，然后我慢慢处理，处理完毕再把结果返回给你。

    如果服务端确定没有什么数据需要发给客户端，那么当然是可以把 FIN 和 ACK 合并成一个包，四次挥手的过程就成了三次。一个实际的抓包截图：

    此时就可以变成三次挥手：

    上图中左边的四次挥手过程中，编号为 (1) 和 (3) 的步骤中，数据包中除了 FIN 这个标志位被设置，一般也设置了 ACK 标志位，用于回复上一个收到的数据包。这里为了不引起大家的混淆，所以我没有写成 FIN + ACK 的形式。很多教材上编号为 (1) 和 (3) 的步骤上写的是 FIN + ACK。

三、为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL？

    这个问题包含两个问题：

1. 为什么需要 TIME_WAIT 状态？

2. 为什么要等待2MSL？

    四次挥手中最不好理解的就是为什么发起断开的一方需要有TIME_WAIT这个状态，且为什么要等到2MSL？

我们先来看看 MSL 是啥。

MSL 是Maximum Segment Lifetime英文的缩写，中文可以译为“报文最大生存时间”，他是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。

假设主动断开的一侧为A，被动断开的一侧为B。

• 第一个消息：A发FIN

• 第二个消息：B回复ACK

• 第三个消息：B发出FIN

    此时，双方其实都达成共识，即双方都同意关闭连接了，但是此时B发出了FIN就可以直接释放TCP连接所要占的资源了吗？不能，B一定要确保A收到自己的ACK、FIN。

    如何确认呢？那就是B要等A发回最后的一个ACK报文。这个ACK就是对B的FIN报文的确认，B收到这个ACK后，就可以安心释放此TCP连接了！所以被动关闭的B无需任何wait time，直接释放资源。

不过A呢？A不知道B有没有收到自己的ACK呀！其实A是这么想的：

• 如果B没有收到自己的ACK，会超时重传FIN

• 如果B收到自己的ACK，也不会再发任何消息，包括ACK

    无论是1还是2，A都需要等待，1比较好理解，如果B确实没收到ACK，A还关闭了，那么B不就不能正常关闭了吗？所以第1种情况A一定要等待的。

    对于第2种情况，需要反过来想，为什么也要等待呢？如果不等待或者等待时间太短会发生什么呢？

    有可能下次连接还是用的一样的端口，那么上次的延时数据包可能会在新的连接中出现：

• 这时有相同端口的 TCP 连接被复用后，被延迟的 SEQ = 300 抵达了客户端，那么客户端是有可能正常接收这个过期的报文，这就会产生数据错乱等严重的问题。

    因此A必须要等待，那么这里等待时间如何取值呢？要取这两种情况等待时间的最大值，以应对最坏的情况发生，这个最坏情况是：

    去向ACK消息最大存活时间（MSL) + 来向FIN消息的最大存活时间(MSL)。这恰恰就是2MSL。

    等待2MSL时间，A就可以放心地释放TCP占用的资源、端口号，此时可以使用该端口号连接任何服务器，因为经过这个时间的等待，经过 2MSL 这个时间，足以让两个方向上的数据包都被丢弃，使得原来连接的数据包在网络中都自然消失，再出现的数据包一定都是新建立连接所产生的。

    好，其实已经解释了为什么要等2MSL，但是不知道读者是不是有一些疑问，至少我是！

①疑问1：2MSL一般是多久？

在 Linux 系统里 2MSL 默认是 60 秒，那么一个 MSL 也就是 30 秒。Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒。

②疑问2：如果B一直收不到随后一个ACK,是不是会一直处于last ack?

在A关闭连接后，B重传FIN的次数有上限，所以超过了上限B就会reset连接，所以我们要尽可能地正常关闭，而不是这种异常关闭，毕竟异常关闭是兜底操作，比较浪费时间，且这个过程中，服务端一直处于 LAST_ACK 状态。

③疑问3：定时重传是等多久？

一般超时重传只有0.5秒、1秒、2秒…16秒，所以不可能发生等A结束了还能收到来自B的FIN，即使B的FIN是存活了MSL才到，A等待2MSL也会等到它。此外，可以看到，2MSL是可以保证B收到最后的ACK并关闭连接，如果一直收不到，参照疑问2。

④疑问4：那我最坏情况下，比如16秒后的重发FIN，这个时候TIME_WAIT会重置吗？

2MSL 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内，因为客户端的 ACK 没有传输到服务端，客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文，那么 2MSL 时间将重新计时。

四、TIME_WAIT 过多有什么危害？

    时间太短不行，太长呢？实际上也不行，如果服务器有处于 TIME-WAIT 状态的 TCP，则说明是由服务器方主动发起的断开请求。

过多的 TIME-WAIT 状态主要的危害有两种：

• 第一是内存资源占用；

• 第二是对端口资源的占用，一个 TCP 连接至少消耗一个本地端口；

    第二个危害是会造成严重的后果的，要知道，端口资源也是有限的，一般可以开启的端口为 32768～61000.这个是可以配置的，不过资源一定要珍惜，长期占着茅坑不拉屎，当连接数起来了，就会不够用。