TCP四次挥手

本文详细解析TCP四次挥手的过程,包括各阶段状态转换,并讨论服务器大量CLOSE_WAIT状态的原因及解决策略,涵盖技术细节和实际应用案例。

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TCP四次挥手

概述

当客户端和服务端通过三次握手建立了 TCP 连接以后,当数据传送完毕,断开连接就需要进行TCP的四次挥手。

断开一个TCP连接时,需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中,这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。

由于TCP连接是全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭。

流程图
在这里插入图片描述

中断连接端可以是客户端,也可以是服务器端。

  • 第一次挥手
    主机1向主机2发送一个FIN报文段(FIN=1,seq=u),然后主机1进入FIN_WAIT_1状态,这表示主机1没有数据要发送给主机2了;
  • 第二次挥手
    主机2收到了FIN报文段,向主机1回一个ACK报文段(ACK=1,seq=v,ack=u+1),然后主机2进入CLOSE_WAIT状态。主机1收到ACK报文段后进入FIN_WAIT_2状态,这表示主机2告诉主机1同意其关闭请求;
  • 第三次挥手
    主机2向主机1发送FIN报文段(FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1),请求关闭连接,同时主机2进入LAST_ACK状态;
  • 第四次挥手
    主机1收到主机2发送的FIN报文段,向主机2发送ACK报文段(ACK=1,seq=u+1,ack=w+1),然后主机1进入TIME_WAIT状态。主机2收到主机1的ACK报文段以后,就进入CLOSED状态。此时,主机1还需等待2MSL后依然没有收到回复,则证明Server端已正常关闭,那么主机1也可以进入CLOSED状态了。

如果有大量的连接,每次在连接,关闭都要经历三次握手,四次挥手,这显然会造成性能低下。因此Http有一种叫做长连接(keepalive connections)的机制。它可以在传输数据后仍保持连接,当客户端需要再次获取数据时,直接使用刚刚空闲下来的连接而无需再次握手。
在这里插入图片描述

注意:还有一种状态为CLOSING:即两边同时发起关闭请求时(即主动方发送FIN,等待被动方返回ACK,同时被动方也发送了FIN,主动方接收到了FIN之后,发送ACK给被动方),主动方会由FIN_WAIT_1 进入此状态,等待被动方返回ACK。这个状态之后也会进入TIME_WAIT状态。

为什么会有TIME_WAIT状态

  1. 确保有足够的时间让对方收到ACK包
  2. 避免复用连接时新旧连接混淆而收到异常数据

为什么要四次挥手

TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议。TCP是全双工模式,这就意味着,当主机1发出FIN报文段时,只是表示主机1已经没有数据要发送了,主机1告诉主机2,它的数据已经全部发送完毕了;但是,这个时候主机1还是可以接受来自主机2的数据;当主机2返回ACK报文段时,表示它已经知道主机1没有数据发送了,但是主机2还是可以发送数据到主机1的;当主机2也发送了FIN报文段时,这个时候就表示主机2也没有数据要发送了,就会告诉主机1,我也没有数据要发送了,之后彼此就会愉快的中断这次TCP连接。

如果要正确的理解四次分手的原理,就需要了解四次分手过程中的状态变化。

  • FIN_WAIT_1
    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。(主动方)
  • 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(ACK信息),稍后再关闭连接。(主动方)
  • 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。(被动方)
  • 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。(被动方)
  • 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。(主动方)
  • CLOSED
    表示连接中断。

其他问题

服务器出现大量CLOSE_WAIT状态

起因
对方关闭Socket连接,我方忙于读或写,没有及时关闭连接,此时会出现异常:too many open files

解决方案

  • 检查代码,特别是释放资源的代码
  • 检查配置,特别是处理请求的线程配置

查看网络状态统计可用

netstat -n | awk '/^tcp/{++state[$NF]}; END{for(key in state) print key, "\t", state[key]}'
### TCP 四次挥手过程详解 TCP四次挥手(Four-Way Wave)是用于释放已建立的连接的过程,确保通信双方能够安全地终止连接。以下是四次挥手的具体过程和原理: #### 第一次挥手 客户端发送一个 `FIN` 报文给服务端,表示客户端已经没有数据需要发送,并进入 `FIN_WAIT_1` 状态[^3]。此时,客户端主动发起断开连接的请求。 #### 第二次挥手 服务端收到 `FIN` 报文后,发送一个 `ACK` 报文给客户端,确认序号为收到序号加一,服务端进入 `CLOSE_WAIT` 状态[^3]。此时,TCP 连接处于半关闭状态,即客户端不再发送数据,但服务端仍可继续发送数据。 #### 第三次挥手 服务端在完成所有数据发送后,发送一个 `FIN` 报文给客户端,表示服务端也没有数据需要发送,并进入 `LAST_ACK` 状态[^3]。此时,服务端也发起了断开连接的请求。 #### 第四次挥手 客户端收到 `FIN` 报文后,进入 `TIME_WAIT` 状态,并发送一个 `ACK` 报文给服务端,确认序号为收到序号加一。服务端收到 `ACK` 报文后,进入 `CLOSED` 状态,完成四次挥手。客户端在 `TIME_WAIT` 状态下等待一段时间(通常是两倍的最大段生命周期,2MSL),以确保网络中没有遗留的报文,之后也进入 `CLOSED` 状态。 #### 原理分析 - **确保数据完整传输**:四次挥手通过两次 `FIN` 和两次 `ACK`,确保了通信双方的数据都已完整传输完毕。 - **防止连接异常**:客户端在 `TIME_WAIT` 状态下等待 2MSL 时间,可以避免旧的连接报文对新连接产生干扰[^3]。 - **重传机制**:如果主机 B 没有收到主机 A 的 `ACK`,它会按照 TCP 的重传机制定期重传 `FIN` 报文,直到达到设定的上限[^4]。 ```python # 模拟TCP四次挥手过程的状态变化 class TCPConnection: def __init__(self): self.client_state = "ESTABLISHED" self.server_state = "ESTABLISHED" def client_first_wave(self): self.client_state = "FIN_WAIT_1" return "Client sends FIN to Server." def server_second_wave(self): self.server_state = "CLOSE_WAIT" return "Server sends ACK to Client." def server_third_wave(self): self.server_state = "LAST_ACK" return "Server sends FIN to Client." def client_fourth_wave(self): self.client_state = "TIME_WAIT" return "Client sends ACK to Server and enters TIME_WAIT state." connection = TCPConnection() print(connection.client_first_wave()) # 第一次挥手 print(connection.server_second_wave()) # 第二次挥手 print(connection.server_third_wave()) # 第三次挥手 print(connection.client_fourth_wave()) # 第四次挥手 ```
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