第22章 TCP：连接的建立与终止

所属：TCP/IP详解卷2：实现来源：TCP/IP详解卷2：实现

本章描述TCP连接的建立与终止的实现，包括三次握手、四次挥手、TCP状态机和复位报文等。

22.1 引言

连接的建立和终止

TCP是面向连接的协议：

传输数据前要先建立连接
传输完要终止连接
连接的建立和终止都有规定的过程

连接管理是TCP的基本功能。

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

连接建立（三次握手）
连接终止（四次挥手）
TCP状态机
复位报文（RST）
同时打开和同时关闭
半关闭

本章讨论连接的建立和终止。

22.2 连接建立：三次握手

为什么需要三次握手

为什么需要三次握手：

同步序号
- 双方都要知道对方的初始序号
- 双方都要确认对方的序号
确认双方都有收发能力
- 客户端能发能收
- 服务端能发能收
防止旧的连接请求
- 防止迟到的连接请求
- 建立错误的连接

三次握手确保连接可靠建立。

三次握手的过程

三次握手（Three-Way Handshake）：

客户端                            服务端
   |                                |
   | ------ SYN ------->            |  1. 客户端发SYN
   |     seq=x                      |
   |                                |
   | <--- SYN+ACK ----              |  2. 服务端回SYN+ACK
   |     seq=y, ack=x+1             |
   |                                |
   | ------ ACK ------->            |  3. 客户端回ACK
   |     seq=x+1, ack=y+1           |
   |                                |
   +------ 连接建立 ------+         |

三个报文：

SYN：客户端→服务端，请求连接
SYN+ACK：服务端→客户端，同意连接，同步自己的序号
ACK：客户端→服务端，确认服务端的序号

三次握手建立连接。

初始序号（ISN）

初始序号（Initial Sequence Number, ISN）：

建立连接时的起始序号
不是从0开始
随机生成
随时间增长

为什么随机：

防止序号猜测攻击
防止旧的分组混淆

ISN是随机的，不是0。

MSS选项

MSS选项（Maximum Segment Size）：

连接建立时协商
告诉对方自己最大能接收的段大小
通常是MTU - IP首部 - TCP首部
以太网通常是1460字节

为什么需要协商：

避免分片
提高效率
双方知道对方的MSS

MSS在连接建立时协商。

22.3 连接终止：四次挥手

为什么需要四次挥手

为什么需要四次挥手：

TCP是全双工的
两个方向都要关闭
每个方向单独关闭
所以需要四次

全双工，两个方向都要关闭。

四次挥手的过程

四次挥手（Four-Way Handshake）：

客户端                            服务端
   |                                |
   | ------ FIN ------->            |  1. 客户端发FIN，关闭客户端→服务端方向
   |     seq=u                      |
   |                                |
   | <----- ACK -------             |  2. 服务端回ACK
   |     seq=v, ack=u+1             |
   |                                |
   | <----- FIN -------             |  3. 服务端发FIN，关闭服务端→客户端方向
   |     seq=w                      |
   |                                |
   | ------ ACK ------->            |  4. 客户端回ACK
   |     seq=u+1, ack=w+1           |
   |                                |
   +------ 连接终止 ------+         |

四个报文：

FIN：主动关闭方发，关闭自己这个方向
ACK：被动关闭方回，确认FIN
FIN：被动关闭方发，关闭自己这个方向
ACK：主动关闭方回，确认FIN

四次挥手终止连接。

半关闭

半关闭（Half-Close）：

一个方向关闭了，另一个方向还开着
客户端发了FIN，服务端还能发数据
服务端发了FIN，客户端还能发数据

为什么需要：

客户端发完数据了，发FIN
服务端还有数据要发
可以继续发，发完再发FIN

半关闭允许单向关闭。

22.4 TCP状态机

11种状态

TCP的11种状态：

状态	说明
CLOSED	关闭，没有连接
LISTEN	监听，等待连接请求
SYN_SENT	已发SYN，等待SYN+ACK
SYN_RCVD	已收SYN，已发SYN+ACK，等待ACK
ESTABLISHED	已建立连接，可以传输数据
FIN_WAIT_1	已发FIN，等待ACK
FIN_WAIT_2	已收FIN的ACK，等待对端FIN
CLOSE_WAIT	已收FIN，等待应用关闭
CLOSING	双方同时发FIN，等待ACK
LAST_ACK	已发FIN+ACK，等待ACK
TIME_WAIT	等待2MSL

TCP有11种状态。

状态转换图

TCP状态转换图（简化）：

                        +--------+
                        | CLOSED |
                        +--------+
                          |    ^
              passive open |    | close
                          v    |
                        +--------+
                 send   | LISTEN | recv
                 SYN    +--------+ SYN
                          |    ^
                          v    |
                     +-----------+  recv
               send  | SYN_SENT  |  SYN+ACK
               SYN   +-----------+  send
                          |    |  ACK
                          v    |
                     +-----------+
               recv  | SYN_RCVD  |  send
               ACK   +-----------+  ACK
                          |
                          v
                     +-----------+
                     |ESTABLISHED|
                     +-----------+
                       |       |
            active close|       |passive close
               send FIN |       |recv FIN
                       v       v
                +-----------+ +-----------+
                |FIN_WAIT_1 | |CLOSE_WAIT |
                +-----------+ +-----------+
                  |       |        |
          recv    |       |recv    |close
          ACK     |       |FIN     |send FIN
                  v       v        v
           +-----------+ +-----------+
           |FIN_WAIT_2 | | CLOSING   |
           +-----------+ +-----------+
                  |           |
            recv  |      recv |
            FIN   |      ACK  |
                  v           v
           +-----------+ +-----------+
           | TIME_WAIT | | LAST_ACK  |
           +-----------+ +-----------+
                  |           |
            2MSL  |      recv |
            超时  |      ACK  |
                  v           v
                +--------+
                | CLOSED |
                +--------+

这是简化的状态转换图。

常见的状态转换路径

主动打开+主动关闭：

CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSED

被动打开+被动关闭：

CLOSED → LISTEN → SYN_RCVD → ESTABLISHED → CLOSE_WAIT → LAST_ACK → CLOSED

同时关闭：

ESTABLISHED → FIN_WAIT_1 → CLOSING → TIME_WAIT → CLOSED

不同的情况有不同的路径。

22.5 TIME_WAIT状态

为什么需要TIME_WAIT

TIME_WAIT状态：

主动关闭的最后状态
等待2MSL（Maximum Segment Lifetime）
然后才到CLOSED

为什么需要：

确保最后一个ACK到达
- 最后一个ACK可能丢
- 对端会重发FIN
- TIME_WAIT时还能重发ACK
- 不然对端一直重传
让旧的分组消失
- 防止旧连接的分组
- 被新连接当成新的
- 等2MSL，旧的都没了

两个原因：可靠关闭和防止混淆。

2MSL等待时间

2MSL等待时间：

MSL：最大分节生命期
分组在网络中最长存活时间
RFC建议2分钟
实际常用30秒到2分钟
2MSL就是1分钟到4分钟

为什么是2MSL：

一个方向最多MSL
另一个方向最多MSL
加起来2MSL
确保所有旧分组都消失

2MSL确保旧分组都消失。

TIME_WAIT的影响

TIME_WAIT的影响：

占用资源
短连接频繁的话，很多TIME_WAIT
可能耗尽端口

怎么处理：

正常现象，不用太担心
调整参数（如net.ipv4.tcp_tw_reuse）
长连接减少TIME_WAIT

TIME_WAIT是正常的，是TCP可靠性的保证。

22.6 复位报文（RST）

什么是复位报文

复位报文（Reset, RST）：

TCP的一种报文
RST标志位为1
用于复位连接
表示错误或异常情况

RST用于异常情况。

什么时候发RST

发送RST的情况：

连接不存在
- 收到SYN，但没有监听的端口
- 发RST拒绝
连接异常
- 收到的报文不属于任何连接
- 发RST
异常关闭
- 应用异常关闭
- 发RST而不是FIN
半开连接
- 一端已经关了，另一端不知道
- 收到报文发RST

各种异常情况都可能发RST。

RST和FIN的区别

RST和FIN的区别：

对比项	FIN	RST
含义	正常关闭	异常复位
过程	四次挥手	直接复位
数据	缓冲区的数据会尽量发	直接丢弃
状态	TIME_WAIT等	直接CLOSED
用途	正常关闭	异常情况

FIN是正常关闭，RST是异常复位。

22.7 同时打开和同时关闭

同时打开

同时打开（Simultaneous Open）：

双方同时发SYN
双方同时收到SYN
双方都发SYN+ACK
然后都收到SYN+ACK
连接建立

状态转换：

CLOSED → SYN_SENT → SYN_RCVD → ESTABLISHED

报文交换：

4个报文（两个SYN，两个SYN+ACK）
正常是3个

同时打开比较少见。

同时关闭

同时关闭（Simultaneous Close）：

双方同时发FIN
双方同时收到FIN
双方都发ACK
然后都收到ACK
都进入TIME_WAIT