TCP三次握手及四次挥手过程中的异常处理

1. 消息丢失的情况：

总的原则：
ACK不会重传，SYN和FIN报文段有最大重传次数。无论是SYN还是FIN，达到最大重传次数后对端若仍无响应则直接进入CLOSED状态。

1.1 三次握手过程的消息丢失：

正常的三次握手的流程：

1.1.1 第一次握手消息丢失：（SYN）

正常情况下，当客户端想要与服务器建立TCP连接时，首先要发送第一个SYN报文段，然后将本端的TCP状态置为 SYN_SENT。

在这之后，如果客户端没有收到服务端的 SYN+ACK 响应，就会触发超时重传机制。

超时时间判断： 不同版本的操作系统可能超时时间不同，一般为 1秒 或 3秒，由内核配置，修改需要重新编译内核。

重传次数： 由内核参数 tcp_syn_retries 配置，默认值为5，可手动修改。

重传周期： 按指数退避计算重传周期，第一次超时重传是 1秒，第二次超时重传是 2秒，第三次超时重传是 4秒，第四次超时重传是 8秒，第五次超时重传是 16秒，以类类推，直到达到最大重传次数后，客户端不再重传SYN报文段，断开TCP连接。 此时 connect会返回 -1，并设置 errno 为 ETIMEOUT。

[ETIMEOUT] Connection establishment timed out without establishing a connection.

如果达到默认最大重传次数后断开TCP连接，总耗时为：
1+2+4+8+16+32 = 63秒，大约 1分钟。

关于TCP内核参数的修改：

所有TCP/IP参数（注意是TCP/IP协议族的所有参数，不止TCP参数）都位于 /proc/sys/net 目录下，注意此目录下的内容修改都是临时的，任何修改在系统重启后都会丢失。
例如对 tcp_syn_retries 参数的修改：

echo 5 > /proc/sys/net/ipv4/syn_timeout_retries

1.1.2 第二次握手消息丢失：（SYN+ACK）

服务端在收到客户端的第一次握手SYN报文段后，将TCP状态置为 SYN_RECV状态，并发送SYN+ACK报文段给客户端。

如果第二次握手的报文段丢失，服务端会发起重传；客户端由于收不到SYN+ACK，无法判断是第一次握手的SYN报文段丢失，还是第二次握手的SYN+ACK报文段丢失，所以客户端也会发起重传。

客户端的重传过程如 1.1 节所述；服务端的 SYN+ACK重传次数由参数 tcp_synack_retries 配置。

1.1.3 第三次握手消息丢失：（ACK）

客户端在收到服务端的第二次握手SYN+ACK报文段后，将TCP状态置为 ESTABLISH 状态，并发送ACK报文段给服务端。

如果第三次握手的ACK报文段丢失，则服务会重传SYN+ACK报文段，直到收到ACK响应或者达到最大重传次数。

注意： 第三次握手的ACK报文段没有重传，当ACK丢失，只能依靠服务端重传SYN+ACK报文段。

如果ACK彻底丢失，客户端的TCP状态是 ESTABLISH，服务端的TCP状态是 SYN_RCVD，此时如果收到客户端的TCP数据，则：。。。。。。。。。。。。。

1.2 四次挥手过程的消息丢失：

正常的四次挥手流程：

1.2.1 第一次挥手消息丢失：（FIN）

当客户端（主动关闭方）调用close()函数后，就会发送FIN报文给服务端（确切的说，调用close将会时fd的引用计数减1，当fd的引用计数为0时，触发TCP四次挥手关闭TCP连接），随后客户端将TCP状态置为 FIN_WAIT_1 的状态。

如果第一次挥手的FIN报文段丢失，则客户端会开启重传流程，重传次数由内核参数 tcp_orphan_retries 控制。

当第一次挥手的FIN报文段达到最大重传次数后，客户端将停止重传，直接进入 CLOSE 状态。

1.2.2 第二次挥手消息丢失：（ACK）

当服务端收到第一次挥手的FIN报文段后，将本端TCP状态置为 CLOSE_WAIT，并向客户端回复第二次挥手的ACK报文段。

上面已经提到，ACK报文段是不会重传的，所以如果ACK丢失，客户端会重传FIN报文，直到收到ACK报文，或达到FIN的最大重传次数。

另外还有一种情况需要注意：
如果客户端成功接收到第二次挥手的ACK报文，则客户端的TCP状态置为 FIN_WAIT_2 ，此时客户端开始等待服务端的第三次挥手FIN报文。
FIN_WAIT_2状态不会持续太久，内核参数 tcp_fin_timeout 控制其时长，默认是 60秒。

对于调用close()关闭的连接，如果在 60秒 后还没有收到第三次挥手的FIN报文，客户端连接会直接进入 CLOSE 状态。

1.2.3 第三次挥手消息丢失：（FIN）

当服务端收到客户端的第二次挥手的FIN报文后，内核会自动的回复ACK，并置TCP状态为 CLOSE_WAIT，顾名思义，CLOSE_WAIT状态表示内核在等待应用进程调用clsoe()函数关闭连接（wait to close）。

此时，内核没有权利替代进程关闭连接，必须由进程主动调用close函数来触发服务端发送FIN报文。

当服务端调用close()函数后，TCP状态将从 CLOSE_WAIT 状态转入 LAST_ACK 状态，如果在超时时间内未收到客户端的第四次挥手 ACK报文，则重传FIN报文，最大重传次数由内核参数 tcp_orphan_retries 控制。

CLOSE_WAIT状态的最大持续时间是多少：
CLOSE_WAIT状态表示的就是内核在等待应用进程调用close()函数来关闭连接，至于应用进程什么时候close，这完全取决于程序。所以，从理论上来讲，只要被动关闭端不断电，进程不退出，那么CLOSE_WAIT状态就会一直持续下午，CLOSE_WAIT的最大持续时间从理论上来讲可以达到无限长。

1.2.4 第四次挥手消息丢失：（ACK）

当客户端收到服务端的第三次挥手FIN报文后，TCP状态由 FIN_WAIT_2 转入 TIME_WAIT，并回复第四次挥手ACK报文给服务端。

如果第四次挥手ACK报文丢失，ACK报文不会重传，服务端在超时未收到ACK后会重传FIN，直至成功收到ACK会达到最大重传次数。

TIME_WAIT的最大持续时间默认为 60秒（2*MSL），超时后TCP状态转为 CLOSED。

2. 尝试连接IP不存在或端口存在的目的主机：

2.1 结论：

2.1.1 当试图连接一个IP不存在的主机时：

1. 如果尝试连接的IP在局域网内，则会发送N次ARP请求，向局域网内请求获取目的主机的MAC地址，且本地主机不能发出TCP握手消息；
2. 如果尝试连接的IP在局域网外，则会将TCP握手消息通过网关路由发出到局域网外，但因为最终找不到目的地，会触发TCP的超时重传，直至达到最大重传次数后关闭TCP连接。

2.1.2 当试图连接一个IP存在但端口不存在的主机时：

1. 不论尝试连接的主机是在局域网内还是局域网外，当目的主机收到源主机的TCP握手消息后，判断这个端口上并没有应用进程，内核协议栈会立即回复RST复位报文段，发送端在收到RST后关闭TCP连接。
2. 如果目的主机设置了防火墙策略，限制他人将消息发送到不对外暴露的端口，那么这种情况目的主机会将收到的TCP握手消息直接丢弃，源主机在超时后进行重传，直至达到最大重传次数后关闭TCP连接。

2.2 原理：

1. 为什么在连接局域网内不存在的IP时会一直重发ARP请求，而没有发出SYN报文：
     当连接一个局域网内的IP时，主机会先到本地ARP表中查询是否有目的IP的MAC地址，如有则返回，如没有则向局域网广播一条ARP请求，请求获取目的IP的MAC地址。
     当局域网内的其他主机收到ARP请求后，判断请求中的IP是否为自己的IP，如果是则向请求方发送ARQ响应，捎带上自己的MAC地址；如果不是自己的IP则直接将收到的ARP请求丢弃。
     当源主机在本地的ARP表中没有找到与目的IP一致的缓存记录时，此时会将SYN报文放进 unresolved_queue 队列中缓存起来，直至收到有效的ARP响应后，才会将SYN报文从缓存去列中取出并打上MAC头发给目的主机。如果始终得不到ARP响应，则SYN握手消息将一直不会发出。
     注意 ARP协议本身是没有重传机制的，之所以会重复发送ARP请求，是因为触发了TCP三次握手的重传机制，而每一次重传SYN都会对应的向局域网内发出一条ARP请求。
2. RST报文：
     TCP正常情况下断开连接是用四次挥手，这是正常时候的优雅做法。但异常情况下，收发双方因为某种异常情况无法完成四次挥手，所以就需要一个机制来强行关闭连接。
     RST就是用于这种情况，一般用来异常的关闭一条连接。 通过在TCP头中将 RST标志位置为1，在接收端收到后就会关闭连接，此时一般会看到 “connection reset” 或 “connection refused” 的报错。

3. 在连接状态下的进程/主机异常宕机：

3.1 没有开启keepalive选项，且没有数据交互的情况：

一道面试题：
一个TCP连接，没有打开keepalive选项，没有数据交互，现在一端突然掉电和一端的进程crash了，请问这两种情况有什么区别？

1. 第一种情况：主机掉电：
   对端主机崩溃对于服务端而言是无法感知的 ，此时又没有开启keepalive，又没有数据交互，则服务端的tcp连接会一直处于 ESTABLISHED 连接状态，直到服务端重启进程。
2. 第二种情况：主机正常，网络进程crash：
   即使是在没有开启keepalive，且没有数据交互的情况下，如果其中一方的进程发生了崩溃，这个过程操作系统是可以感知的到的，于是就会 发送FIN报文给对端，双方进行TCP四次挥手关闭连接。
   注意：在进程异常crash时，系统在检测到进程crash后会发送FIN给对端，注意这里发送的 FIN，走正常的四次挥手关闭流程，不是发送RST直接复位连接。

3.2 没有开启keepalive选项，但有数据交互的情况：

（1）如果是主机正常，网络进程crash，无论是否有数据交互，处理方式都是一样的，即发生进程crash一端的主机系统发送FIN报文，进行TCP四次挥手流程关闭连接。

（2）如果是主机异常宕机，此时可细分为两种情况：

• 客户端主机宕机，又迅速重启；
• 客户端主机宕机，一直没有重启。

在客户端主机宕机后，服务端向客户端发送的业务数据报文会得不到ACK响应，在一定时长后，服务端会触发 超时重传 机制，重传未被响应的业务数据报文。

• 如果在服务端重传业务数据的过程中，客户端的主机重启完成，此时如果客户端的网络进程没有重启，则客户端主机收到服务端的业务数据后判断没有进程监听这个端口，会向服务端回复RST报文重置连接；
• 如果客户端迅速重启，且主机上有新的进程重新绑定了这个端口，这种情况应该相当于新连接上收到旧连接的报文来处理？
• 如果客户端主机宕机后，一直没有重启，则服务端的重传报文达到一定阈值后，内核就会判断这条tcp连接出现问题，然后通知应用进程连接不可用（send返回-1 ？）

tcp_retries2：

在Linux系统中，通过 tcp_retries2 配置参数控制报文的最大重传次数，默认值为15，每次重传的时间以指数退避的方式计算。当达到最大重传次数后，tcp就会停止重传。

3.3 已开启keepalive选项的情况：

TCP的keepalive保活机制默认是关闭的，要想使用，必须通过设置套接字选项的方式手动开启：

bool bKeepAlive = TRUE;
int nRet = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (char*)&bKeepAlive, sizeof(bKeepAlive));
if(nRet == SOCKET_ERROR) {
    return FALSE;
}

关于keepalive机制的默认配置：

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9

如果一条tcp连接在连续7200秒的时间内（2小时）都没有数据报文，则会触发保活检测，每次发送探测报文的时间间隔是75秒，最多发送9轮。
所以最大时间是：
7200 + 75*9 = 2小时11分15秒

保活机制的探测结果有三种情况：

1. 对端程序正常运行，且中间网络通畅，此时keepalive探测报文能够顺利到达对端，对端在收到报文后回复ACK，重置tcp保活时间；
2. 对端主机正常，但网络进程崩溃 （正常情况下发生这种问题时，对端主机的操作系统内核能够检测到网络进程崩溃，此时内核会自动发起四次挥手关闭连接，但是如果FIN报文段丢失并，在达到FIN最大重传次数后TCP进入CLOSED状态，就需要依赖keepalive保活机制了），在对端主机收到keepalive检测报文后，判断目的端口没有应用进程监听，则回复一条RST报文关闭tcp连接；
3. 对端主机宕机，且未重启，中间网络正常，对端主机崩溃对于服务端来说是无法感知的，此时发送的keepalive报文石沉大海，没有主机对其响应，需要达到最大检测次数后关闭连接；
4. 对端主机宕机，并已重启，不论网络进程是否重启，在收到keepalive检测报文后，回复RST重置连接；
5. 中间网络出现问题，这种情况下无论对端主机、网络进程是否正常，keepalive报文都不可达，需要等待达到最大检测次数后关闭tcp连接。

对于正常四次挥手关闭，tcp在收到FIN报文后，会返回可读事件，应用程序调用read后返回0，说明对方已经close；

对于keepalive超时的情况，当tcp检测到对端已不可达，会返回一个可读事件，应用程序调用recv会返回-1，errno被置为 ETIMEOUT，方便应用程序及时清理不可用的连接。

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参考内容：

https://blog.youkuaiyun.com/ilini/article/details/118565606
https://zhuanlan.zhihu.com/p/390939380
https://blog.youkuaiyun.com/tdy353021560/article/details/38368845