TCP连接的状态转换深度剖析

时间:11-10-27 栏目:技术 作者:liva 评论:0 点击: 3,960 次

对于平时我需要观察LVS与Client及RS之间TCP连接建立情况,你就需要深入了解一下建立连接的TCP三次握手和关闭连接的四次握手,举下面一个例子,你知道这些状态表示什么吗,下面的TCP连接状态图可以让你明白这一切,往下看吧

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

这个图n多人都知道,它对排除和定位网络或系统故障时大有帮助,但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢?那么你就一定要对这张图的每一个状态,及转换的过程有深刻地认识,不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解释一下,以便加强记忆!不过在这之前,先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程,以及关闭连接的四次握手过程。

1、建立连接协议(三次握手)
(1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。

(2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。

(3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。

2、连接终止协议(四次握手)
由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

(1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
(2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
(3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
(4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。

LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。

SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。

SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。

FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。

LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。

最后有2个问题的回答,我自己分析后的结论(不一定保证100%正确)

1、 为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?

这是因为:虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文.

TCP报文段首部格式:

序号:本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

确认号ack期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号

确认ACK:占1位,仅当ACK=1时,确认号字段才有效。ACK=0时,确认号无效

同步SYN:连接建立时用于同步序号。当SYN=1,ACK=0时表示:这是一个连接请求报文段。

若同意连接,则在响应报文段中使得SYN=1,ACK=1。因此,SYN=1表示这是一个连接请求,或连接接受报文。

终止FIN:用来释放一个连接。FIN=1表示:此报文段的发送方的数据已经发送完毕,并要求释放运输连接

 

三次握手(三次联络)

还要再发送一次确认是为了,防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。

已失效的报文段:正常情况下:A发出连接请求,但因为丢失了,故而不能收到B的确认。于是A重新发出请求,然后收到确认,建立连接,数据传输完毕后,释放连接,A发了2个,一个丢掉,一个到达,没有“已失效的报文段”

但是,某种情况下,A的第一个在某个节点滞留了,延误到达,本来这是一个早已失效的 报文段,但是在A发送第二个,并且得到B的回应,建立了连接以后,这个报文段竟然到达了,于是B就认为,A又发送了一个新的请求,于是发送确认报文段,同 意建立连接,假若没有三次的握手,那么这个连接就建立起来了(有一个请求和一个回应),此时,A收到B的确认,但A知道自己并没有发送建立连接的请求,因 为不会理睬B的这个确认,于是呢,A也不会发送任何数据,而B呢却以为新的连接建立了起来,一直等待A发送数据给自己,此时B的资源就被白白浪费了。但是 采用三次握手的话,A就不发送确认,那么B由于收不到确认,也就知道并没有要求建立连接。

四次握手(两个二次握手)


 

B收到连接释放报文段后就立即发送确认,然后就进入close-wait状态,此时TCP服务器进程就通知高层应用进程,因而从A到B的连接就释放了。此时是“半关闭”状态。即A不可以发送给B,但是B可以发送给A。

此时,若B没有数据报要发送给A了,其应用进程就通知TCP释放连接,然后发送给A连接释放报文段,并等待确认。

A发送确认后,进入time-wait,注意,此时TCP连接还没有释放掉,然后经过时间等待计时器设置的2MSL后,A才进入到close状态。

为什么要等待呢?

①、为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。即 最后这个确认报文段很有可能丢失,那么B会超时重传,然后A再一次确认,同时启动2MSL计时器,如此下去。如果没有等待时间,发送完确认报文段就立即释 放连接的话,B就无法重传了(连接已被释放,任何数据都不能出传了),因而也就收不到确认,就无法按照步骤进入CLOSE状态,即必须收到确认才能 close。

②、防止“已失效的连接请求报文段”出现在连接中。经 过2MSL,那些在这个连接持续的时间内,产生的所有报文段就可以都从网络中消失。即在这个连接释放的过程中会有一些无效的报文段滞留在楼阁结点,但是 呢,经过2MSL这些无效报文段就肯定可以发送到目的地,不会滞留在网络中。这样的话,在下一个连接中就不会出现上一个连接遗留下来的请求报文段了。

可以看出:B结束TCP连接的时间比A早一点,因为B收到确认就断开连接了,而A还得等待2MSL.

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TCP连接的状态转换深度剖析:等您坐沙发呢!

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