计算机网络（七）--TCP的运输连接管理

TCP是面向连接的协议。运输连接是用来传送TCP报文的。

TCP运输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。运输连接就有三个阶段，即：连接建立、数据传送和连接释放。

运输连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常地进行。

在TCP连接建立过程中要解决以下三个问题：

（1）要使每一方能够确知对方的存在。

（2）要允许双方协商一些参数（如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项和时间戳选项以及服务质量等）。

（3）能够对运输实体资源（如缓存大小、连接表中的项目等）进行分配。

TCP连接的建立

采用客户服务器方式。主动发起连接建立的应用进程叫做客户（client），而被动等待连接建立的应用进程叫做服务器（server）。

三次握手：

最初两端的TCP进程都处于CLOSED（关闭）状态。A主动打开连接，B被动打开连接。

B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。如有，即作出响应。

A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB,然后向B发出连接请求报文段，这时首部中的同步位SYN = 1,同时选择一个初始序号seq = x。TCP规定，SYN报文段（即SYN = 1的报文段）不能携带数据，但要消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入SYN-SENT(同步收到)状态。

B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认。在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack = x + 1,同时也为自己选择一个初始序号seq = y。请注意，这个报文段也不能携带数据，但同样要消耗一个序号。这时TCP服务器进程进入SYN-RCVE（同步收到）状态。

TCP客户进程收到B的确认后，还要向B给出确认。确认报文段的ACK置1，确认号ack = y + 1,而自己的序号seq = x + 1。TCP的标准规定，ACK报文段可以携带数据。但如果不携带数据则不消耗序号，在这种情况下，下一个数据报文段的序号仍是seq = x + 1。这时，TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

当B收到A的确认后，也进入ESTABLISHED状态。

注意：传输控制块TCB存储了每一个连接中德一些重要信息，如TCP连接表，到发送和接受缓存的指针，到重传队列的指针，当前的发送和接受序号等等。

问题：为什么A还要发送一次确认呢？

解答：主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B，因而产生错误。

所谓“已失效的连接请求报文段”是这样产生的。考虑一种正常情况。A 发出连接请求，但连接请求报文丢失而未收到确认。于是A再重传一次连接请求。后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接。A共发送了两个连接请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了B。没有“已失效的连接请求报文段”。

现假定出现一种异常情况，即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络结点长时间滞留了，以致延误到连接释放以后的某个时间才到达B。本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后，就误以为是A又发出一次新的连接请求。于是就向A发出确认报文段，同意建立连接。假定不采用三次握手，那么只要B发出确认，新的连接就建立了。就会发生资源浪费。

TCP的连接释放                四次握手

数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。A和B都处于ESTABLISHED状态。

A的应用进程先向其TCP发出连接释放报文段，并停止再发送数据，主动关闭TCP连接。A把连接释放报文段首部的终止控制位FIN置1，其序号seq = u，它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加一。这时A进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态，等待B的确认。注意：TCP规定FIN报文段即使不携带数据，它也消耗一个序号。

B收到连接释放报文段后即发出确认，确认号是ack = u + 1，而这个报文段自己的序号是v，等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1。然后B就进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时的TCP连接处于半关闭（half-close）状态，即A已经没有数据要发送了，但B若发送数据，A仍要接收。也就是说，从B到A这个方向的连接并未关闭，这个状态可能会持续一些时间。

A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B发出的连接释放报文段。

若B已经没有要向A发送的数据，其应用进程就通知TCP释放连接。这时B发出的连接释放报文段必须使FIN = 1。现假定B的序号为w（在半关闭状态B可能又发送了一些数据）。B还必须重复上次已发送过的确认号ack = u + 1。这时B就进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待A的确认。

A在收到B的连接释放报文段后，必须对此发出确认。在确认报文段中把ACK置1，确认号ack = w + 1，而自己的序号是seq = u + 1（根据TCP标准，前面的FIN报文段消耗一个序号）。然后进入到TIME-WAIT（时间等待）状态。注意，现在TCP连接还没有释放掉。必须经过时间等待计时器（TIME-WAIT timer）设置的时间2MSL后，A才进入到CLOSED状态。时间MSL叫做最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime）。建议设为2分钟。对于现在的网络，TCP允许不同的实现可根据具体情况使用更小的MSL值。

问题：为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间呢？

理由：为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN+ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN+ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN+ACK报文段。接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后，A和B都正常进入到CLOSED状态。如果A在TIME-WAIT状态不等待一段时间，而是在发送完ACK报文段后立即释放连接，那么就无法收到B重传的FIN + ACK报文段，因而也不会再发送一次确认报文段。这样，B就无法按照正常步骤进入CLOSED状态。

B只要收到了A发出的确认，就进入CLOSED状态。同样，B在撤销相应的传输控制TCB后，就结束这次的TCP连接。注意：B结束TCP连接的时间要比A早一些。

问题：客户已主动与服务器建立了TCP连接。但后来客户端的主机突然出故障。显然，服务器以后就不能再收到客户发来的数据。因此，应当有措施使服务器不要再白白等待下去。

解决方案：使用保活计时器。服务器每收到一次客户的数据，就重新设置保活计时器，时间的设置通常是两小时。若两小时没有收到客户的数据，服务器就发送一个探测报文段，以后则每隔75分钟发送一次。若一连发送10个探测报文段后仍无客户的响应，服务器就认为客户端出现了故障，接着就关闭这个连接。

TCP的有限状态机

状态之间的箭头表示可能发生的状态变迁。箭头旁的字表明引起变迁的原因，或表明发生状态变迁后又出现什么动作。

粗实线箭头表示对客户进程的正常变迁。粗虚线箭头表示对服务器进程的正常变迁。细线箭头表示异常变迁。