网络知识(1) - TCP连接关闭四次挥手

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TCP连接关闭时状态迁移图

本文包含内容：

  • TCP FIN 简介
  • TCP ACK 简介
  • 为什么 TCP 连接关闭是四次挥手
  • 先看最常见的正常关闭流程
  • 什么时候进入 CLOSING 状态
  • TIME_WAIT 状态的作用
  • 为什么被动关闭端不需要维持一个类似 TIME_WAIT 的状态，万一发出的 ACK 也丢失了呢
  • 最后，再奉上一张 geek 味十足的tcp状态迁移图

TCP FIN 简介

FIN可以理解为TCP包中的一种信令类型。事实上，FIN是TCP包头中的一个固定标志位，该标志位为1时，表示本端关闭连接。

TCP ACK 简介

TCP基于IP协议，IP包不保证可靠传输。
TCP的做法是，发送端发送的每个TCP包携带序号信息，接收端通过序号处理乱序包和重复包。
并且，接收端持续向发送端发送ACK信息，反馈接收端接收到的流式数据的位置，从而使得发送端有能力检测出对端未接收到数据，发送端可重新发送丢失的数据。

为什么 TCP 连接关闭是四次挥手

由于TCP可双向发送数据，所以TCP连接关闭至少需要两次挥手，即两端各自发送FIN，表示本端已无数据需要发送。
又由于FIN包也有丢失的可能，所以出现了ACK of FIN，即对FIN包也回复ACK确认，以保证FIN包丢失后可以重传。
事实上，由于FIN和ACK of FIN都有可能丢失，TCP连接关闭的设计比四次挥手通常被理解的情况要更复杂些。
我们接下来看。

先看最常见的正常关闭流程

提示，本文的后续内容建议结合上面的TCP连接关闭状态连接图配套食用。

以下主动关闭端指未收到对端FIN的情况下本端发送FIN。被动关闭端则是先收到对端发送的FIN，之后某个时间点本端发送FIN。

主动关闭端
流程为： 发送FIN，接收ACK，接收FIN，发送ACK
状态迁移为： ESTAB -> FINWAIT_1 -> FINWAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED

被动关闭端
流程为： 接收FIN，发送ACK，发送FIN，接收ACK
状态迁移为： ESTAB -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED

什么时候进入 CLOSING 状态

有两种情况：
第一种，由于ACK of FIN可能丢失，所以当被动关闭端发出的ACK丢失，而被动关闭端紧接着又发出了FIN，那么主动关闭端会先收到FIN，从而进入CLOSING状态。
第二种，两端都在还未收到FIN的的情况，发出了FIN，即两端同时关闭，那么可能出现发出FIN后还没收到对应的ACK，立马就收到对端发出的FIN。第二种情况下，两端都是主动关闭端，它们都是首先从ESTAB状态进入FINWAIT_1状态，不再走CLOSE_WAIT那条状态迁移路线。

TIME_WAIT 状态的作用

简单来说，由于ACK of FIN存在丢失的可能。主动关闭端向被动关闭端回复的ACK of FIN可能丢失（此ACK为主动关闭端发出的最后一个包）。而TCP是不会再去对ACK做ACK确认的。
那么如果出现主动关闭端发出的ACK丢失了的情况，被动关闭端由于收不到ACK将停留在LAST_ACK状态，无法进入CLOSED状态。
TCP协议处理这种异常情况的做法是：被动关闭端如果收不到ACK将触发超时重新发送FIN；在主动关闭端维持一个TIME_WAIT，继续接收FIN并作出ACK回复。

TIME_WAIT的维持时间是2个MSL，MSL是Maximum Segment Lifetime的缩写，即报文最大生存时间。

其实讲到这我们已经可以知道，作为主动关闭端，进入TIME_WAIT状态并维持一段时间是TCP协议本身的设计，并不是一种异常状态。
之后我会再单独针对TIME_WAIT写一篇文章，描述TIME_WAIT的维持时间为什么是2个MSL，TIME_WAIT的一些内核相关参数的设置，以及服务器上出现大量TIME_WAIT时我们应该怎么办。

为什么被动关闭端不需要维持一个类似 TIME_WAIT 的状态，万一发出的 ACK 也丢失了呢

我在学习TCP连接关闭时，有一个疑问，既然主动关闭端为了解决发送的ACK丢失，维持了一个TIME_WAIT状态。
那么被动关闭端发出的ACK也可能丢失，如果这个ACK丢失（其他包都未丢失），被动关闭端会顺利进入CLOSED状态，那么主动关闭端岂不是会一直停留在CLOSING状态。

后来在网上询问了一些高手，他们的解释是并不会出现这种情况。
理解这个问题，首先要理解ACK of FIN可以是一个单独的TCP包，也可以不是。
事实上，ACK信息也是TCP包头中的一个固定字段。
所以，当被动关闭端关闭连接发送FIN时，FIN中的ACK字段也会携带对端发出FIN所对应的ACK信息。只要主动关闭端收到了这个FIN，也即可以确认对端已经收到了本端发出的FIN。
这种情况下，可以理解为主动关闭端在FINWAIT_1收到FIN后，进入CLOSING状态，之后迅速进入了TIME_WAIT状态。

最后，奉上一张geek味十足的tcp状态迁移图

图片来源： RFC 793 - Transmission Control Protocol (https://tools.ietf.org/html/rfc793)

另外从中可以看到，SYN_RCVD状态也可以发送FIN从而进入FINWAIT_1。

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                             +---------+ ---------\      active OPEN
                             |  CLOSED |            \    -----------
                             +---------+<---------\   \   create TCB
                               |     ^              \   \  snd SYN
                  passive OPEN |     |   CLOSE        \   \
                  ------------ |     | ----------       \   \
                   create TCB  |     | delete TCB         \   \
                               V     |                      \   \
                             +---------+            CLOSE    |    \
                             |  LISTEN |          ---------- |     |
                             +---------+          delete TCB |     |
                  rcv SYN      |     |     SEND              |     |
                 -----------   |     |    -------            |     V
+---------+      snd SYN,ACK  /       \   snd SYN          +---------+
|         |<-----------------           ------------------>|         |
|   SYN   |                    rcv SYN                     |   SYN   |
|   RCVD  |<-----------------------------------------------|   SENT  |
|         |                    snd ACK                     |         |
|         |------------------           -------------------|         |
+---------+   rcv ACK of SYN  \       /  rcv SYN,ACK       +---------+
  |           --------------   |     |   -----------
  |                  x         |     |     snd ACK
  |                            V     V
  |  CLOSE                   +---------+
  | -------                  |  ESTAB  |
  | snd FIN                  +---------+
  |                   CLOSE    |     |    rcv FIN
  V                  -------   |     |    -------
+---------+          snd FIN  /       \   snd ACK          +---------+
|  FIN    |<-----------------           ------------------>|  CLOSE  |
| WAIT-1  |------------------                              |   WAIT  |
+---------+          rcv FIN  \                            +---------+
  | rcv ACK of FIN   -------   |                            CLOSE  |
  | --------------   snd ACK   |                           ------- |
  V        x                   V                           snd FIN V
+---------+                  +---------+                   +---------+
|FINWAIT-2|                  | CLOSING |                   | LAST-ACK|
+---------+                  +---------+                   +---------+
  |                rcv ACK of FIN |                 rcv ACK of FIN |
  |  rcv FIN       -------------- |    Timeout=2MSL -------------- |
  |  -------              x       V    ------------        x       V
   \ snd ACK                 +---------+delete TCB         +---------+
    ------------------------>|TIME WAIT|------------------>| CLOSED  |
                             +---------+                   +---------+

本文完，作者yoko，尊重劳动人民成果，转载请注明原文出处： https://pengrl.com/p/49801/

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