tcp连接状态详解

unix的哲学是一切皆文件，可以把socket看成是一种特殊的文件，而一些socket函数就是对其进行的操作api（读/写IO、打开、关闭）。我们知道普通文件的打开操作（open）返回一个文件描述字，与之类似，socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。

socket api

int socket(int domain,int type,int protocol);

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

sockfd即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
在将一个地址绑定到socket的时候，需要先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过不少血案，谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
这里的主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为socket可以接受的排队的最大连接个数。listen函数表示等待客户的连接请求。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数去接收请求，这样连接就建立好了(在connect之后就建立好了三次连接)，之后就可以开始进行类似于普通文件的网络I/O操作了。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与客户的TCP连接。
accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误

int close(int fd);

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，类似于操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为已关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数

close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

客户端向服务器发送一个SYN J

服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1

客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

socket中TCP的四次握手释放连接详解

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某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。一段时间之后，服务端调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认,这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

为什么要三次握手？

为什么要三次握手

为什么要四次挥手？

由于tcp连接是全双工的，存在着双向的读写通道，每个方向都必须单独进行关闭。当一方完成它的数据发送任务后就可以发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到FIN只意味着这个方向上没有数据流动，但并不表示在另一个方向上没有读写，所以要双向的读写关闭需要四次握手，

tcp连接过程中的各种状态

image.png

SYN_RECV ：服务端收到建立连接的SYN没有收到ACK包的时候处在SYN_RECV状态。有两个相关系统配置：

net.ipv4.tcp_synack_retries ：INTEGER
默认值是5,对于远端的连接请求SYN，内核会发送SYN ＋ ACK数据报，以确认收到上一个 SYN连接请求包。这是所谓的三次握手( threeway handshake)机制的第二个步骤。这里决定内核在放弃连接之前所送出的 SYN+ACK 数目。不应该大于255，默认值是5，对应于180秒左右时间。通常我们不对这个值进行修改，因为我们希望TCP连接不要因为偶尔的丢包而无法建立。
net.ipv4.tcp_syncookies
一般服务器都会设net.ipv4.tcp_syncookies=1来防止SYN Flood攻击。假设一个用户向服务器发送了SYN报文后突然死机或掉线，那么服务器在发出SYN+ACK应答报文后是无法收到客户端的ACK报文的（第三次握手无法完成），这种情况下服务器端一般会重试（再次发送SYN+ACK给客户端）并等待一段时间后丢弃这个未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，一般来说这个时间是分钟的数量级（大约为30秒-2分钟）。这些处在SYNC_RECV的TCP连接称为半连接，并存储在内核的半连接队列中，在内核收到对端发送的ack包时会查找半连接队列，并将符合的requst_sock信息存储到完成三次握手的连接的队列中，然后删除此半连接。大量SYNC_RECV的TCP连接会导致半连接队列溢出，这样后续的连接建立请求会被内核直接丢弃，这就是SYN Flood攻击。能够有效防范SYN Flood攻击的手段之一，就是SYN Cookie。SYN Cookie原理由D. J. Bernstain和 Eric Schenk发明。SYN Cookie是对TCP服务器端的三次握手协议作一些修改，专门用来防范SYN Flood攻击的一种手段。它的原理是，在TCP服务器收到TCP SYN包并返回TCP SYN+ACK包时，不分配一个专门的数据区，而是根据这个SYN包计算出一个cookie值。在收到TCP ACK包时，TCP服务器再根据那个cookie值检查这个TCP ACK包的合法性。如果合法，再分配专门的数据区进行处理未来的TCP连接。

CLOSE_WAIT
发起TCP连接关闭的一方称为client，被动关闭的一方称为server。被动关闭的server收到FIN后，但未发出ACK的TCP状态是CLOSE_WAIT。出现这种状况一般都是由于server端代码的问题，如果你的服务器上出现大量CLOSE_WAIT，应该要考虑检查代码。
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。
根据TCP协议定义的3次握手断开连接规定,发起socket主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态。TIME_WAIT状态将持续2个MSL(Max Segment Lifetime),在Windows下默认为4分钟，即240秒。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用. 具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器,如果是由服务器主动关闭客户端的连接，将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket，对于访问量大的Web Server，会存在大量的TIME_WAIT状态，假如server一秒钟接收1000个请求，那么就会积压240×1000=240000个TIME_WAIT的记录，维护这些状态给Server带来负担。当然现代操作系统都会用快速的查找算法来管理这些TIME_WAIT，所以对于新的TCP连接请求，判断是否hit中一个TIME_WAIT不会太费时间，但是有这么多状态要维护总是不好。
HTTP协议1.1版规定default行为是Keep-Alive，也就是会重用TCP连接传输多个request/response，一个主要原因就是发现了这个问题。还有一个方法减缓TIME_WAIT压力就是通过修改系统配置把系统的2MSL时间减少，因为240秒的时间实在是忒长了点。
既然TIME_WAIT会带来不少问题，那么tcp设计的时候为什么需要TIME_WAIT？原因有两点： TIME_WAIT是TCP协议用以保证对方能够收到最后的ack报文,也是TCP协议用以保证被重新分配的socket不会受到之前残留的延迟重发报文影响的机制,是必要的逻辑保证。
1. 如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。
2. 如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

3. time_wait状态如何避免？

首先服务器可以设置SO_REUSEADDR套接字选项来通知内核，如果端口忙，但TCP连接位于TIME_WAIT状态时可以重用端口。在一个非常有用的场景就是，如果你的服务器程序停止后想立即重启，而新的套接字依旧希望使用同一端口，此时SO_REUSEADDR选项就可以避免TIME_WAIT状态。

例子

1.客户端连接服务器的80服务，这时客户端会启用一个本地的端口访问服务器的80，访问完成后关闭此连接，立刻再次访问服务器的
80，这时客户端会启用另一个本地的端口，而不是刚才使用的那个本地端口。原因就是刚才的那个连接还处于TIME_WAIT状态。

2.客户端连接服务器的80服务，这时服务器关闭80端口，立即再次重启80端口的服务，这时可能不会成功启动，原因也是服务器的连
接还处于TIME_WAIT状态。
实战分析：

首先，根据一个查询TCP连接数，来说明这个问题。

netstat -ant|awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print (a,S[a])}'
LAST_ACK 14 
SYN_RECV 348 
ESTABLISHED 70
 FIN_WAIT1 229
 FIN_WAIT2 30
 CLOSING 33 
TIME_WAIT 8

状态描述：

CLOSED：无连接是活动的或正在进行
LISTEN：服务器在等待进入呼叫
SYN_RECV：一个连接请求已经到达，等待确认
SYN_SENT：应用已经开始，打开一个连接
ESTABLISHED：正常数据传输状态
FIN_WAIT1：应用说它已经完成
FIN_WAIT2：另一边已同意释放
ITMED_WAIT：等待所有分组死掉
CLOSING：两边同时尝试关闭
TIME_WAIT：另一边已初始化一个释放
LAST_ACK：等待所有分组死掉</pre>

命令解释：

先来看看netstat：
netstat -n
Active Internet connections (w/o servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State
tcp 0 0 123.123.123.123:80 234.234.234.234:12345 TIME_WAIT
你实际执行这条命令的时候，可能会得到成千上万条类似上面的记录，不过我们就拿其中的一条就足够了。

再来看看awk： /^tcp/ 滤出tcp开头的记录，屏蔽udp, socket等无关记录。
state[]相当于定义了一个名叫state的数组
NF
表示记录的字段数，如上所示的记录，NF等于6
$NF
表示某个字段的值，如上所示的记录，$NF也就是$6，表示第6个字段的值，也就是TIME_WAIT
state[$NF]表示数组元素的值，如上所示的记录，就是state[TIME_WAIT]状态的连接数 ++state[$NF]表示把某个数加一，如上所示的记录，就是把state[TIME_WAIT]状态的连接数加一
END
表示在最后阶段要执行的命令 for(key in state)

如何尽量处理TIMEWAIT过多?

编辑内核文件/etc/sysctl.conf，加入以下内容：
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系默认的 TIMEOUT 时间</pre>

然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效.
/etc/sysctl.conf是一个允许改变正在运行中的Linux系统的接口，它包含一些TCP/IP堆栈和虚拟内存系统的高级选项，修改内核参数永久生效。

简单来说，就是打开系统的TIMEWAIT重用和快速回收。

小结

本文主要讲述了socket的主要api，以及tcp的连接过程和其中各个阶段的连接状态，理解这些是更深入了解tcp的基础！