TCP连接建立和释放过程中状态机的变化

本文详细介绍了TCP协议中的连接建立过程(三次握手)和连接释放过程(四次挥手)。通过客户端和服务端的状态转换,深入理解TCP连接的全周期管理。

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TCP是面向连接的协议,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。
运输连接有三个阶段:连接建立,数据传送和连接释放。
TCP连接采用的是客户服务器方式。主动发起连接建立请求的应用进程叫客户,而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

TCP的连接建立:三次握手
如下图所示TCP连接建立的过程。假定A主机运行的是TCP客户程序,而B主机运行的是TCP服务器程序。最初两端都处于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,则做出响应。

A的TCP客户进程也是先创建传输控制块TCB,然后向B发送连接请求报文,这是首部中的同步位SYN=1,同时选择一个厨师序号seq = x。TCP规定,SYN报文段(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(同步已发送)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厨师序号seq = y.这个报文段也不能携带数据,但同样要消耗掉一个序号。这时,TCP服务器进程进入SYN_RCVD(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的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。

A发送确认主要是为了防止已经失效的连接请求报文段突然又传送到了B,因而产生错误。
这里写图片描述
TCP的连接释放:四次挥手
数据传输结束后,通信的双方都可以释放连接。现在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,并停止发送数据,主动关闭TCP连接。A吧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1 。这时A进入FIN_WAIT_1(终止等待1)状态,等待B的确认。TCP规定,FIN报文段即使不懈怠数据,也要消耗点一个序号。

B收到连接释放报文后即发出确认,确认号是ack=u+1,而这个报文段自己的序号是v,等于B前面已经传送过的最后一个字节的序号+1.这时,B进入CLOSE_WAIT(关闭等待)状态。

TCP服务器进程此时应该通知高层应用进程,一二从A到B这个方向的连接已经关闭,这时的TCP进程属于半关闭(half_close)状态,即A已经不会像B发送数据了,但B要向A发送数据,A还得接收。

A收到来自B的确认后,就进入了FIN_WAIT_2(终止等待2),等待B发出的连接释放报文。如果B没有数据向A发送,其应用进程就通知TCP释放链接。这时B发出的连接释放报文段FIN=1.现假定B的序号是w(半关闭状态B向A发送了数据)。B还必须重复上次已发送过的确认号ack=u+1。这时B就进入了LASK_ACK(最后确认)状态,等待A的确认。

A在收到B的释放链接报文段后,必须对此发出确认。在确认阿伯文段中吧ACK置1,确认号ack = w+1,而自己的序号是seq = u+1(根据TCP标准,前面发送过的FIN要消耗一个序号)。然后进入到TIME_WAIT(时间等待)状态。但是,现在TCP连接还没有释放,必须经过时间等待计时器(TIME_WAIT timer)设置的时间2MSL后,A才能进入到CLOSED状态。

这里写图片描述

为了更清晰的看出TCP连接的各种状态之间的关系,如下图给出了TCP的有限状态机。

这里写图片描述

### 合宙 Air780 AT指令 TCP状态机 示例代码与网络状态机实现 合宙 Air780 是一款基于 4G Cat.1 的通信模组,广泛应用于物联网领域。其支持通过 AT 指令集控制模块完成各种网络操作,包括建立 TCP 连接、发送数据以及断开连接等。以下是关于 TCP 状态机的一个典型示例及其工作原理。 #### 一、TCP 状态机概述 TCP 协议是一种面向连接的可靠传输协议,在实际应用中通常会经历以下几个阶段的状态变化: - **CLOSED**: 初始关闭状态。 - **LISTEN**: 监听来自客户端的连接请求。 - **SYN_SENT/SYN_RCVD**: 发起或接收同步握手信号。 - **ESTABLISHED**: 成功建立连接并可以进行数据交换。 - **FIN_WAIT_1/FIN_WAIT_2/CLOSING/TIME_WAIT**: 断开端口的不同中间状态。 - **CLOSE_WAIT/LAST_ACK**: 关闭过程中等待对方确认的状态。 这些状态可以通过 AT 指令监控管理[^1]。 --- #### 二、AT 指令 TCP 状态机示例代码 以下是一个完整的 TCP 状态机流程示例: ##### 初始化模块 ```plaintext AT+CPIN? // 查询 SIM 是否已就绪 AT+COPS=? // 获取当前运营商信息 AT+CGATT=1 // 请求附着到 GPRS/EPS 网络 AT+CIICR // 开启 PDP 上下文激活网络连接 ``` ##### 创建 TCP 连接 ```plaintext AT+CSTT="apn" // 设置 APN 参数 (根据运营商配置) AT+CIICR // 建立网络连接 AT+CIFSR // 查看本地 IP 地址 AT+CIPSTART="TCP","server_ip_or_domain","port_number" // 使用指定的服务器 IP 或域名及端口号启动 TCP 客户端连接 ``` ##### 数据交互 一旦成功建立了 `CIPSTART` 中定义的 TCP 连接,则进入 ESTABLISHED 状态。此时可通过以下命令发送接收数据: ```plaintext AT+CIPSEND=<length> // 准备发送长度为 <length> 字节的数据包 <your_data_here> CTRL-Z // 结束输入标志 OK // 表明数据已被接受准备发送 ``` 对于接收部分,当有新消息到达时,模块返回如下提示: ```plaintext +RECEIVE,<data_length>:<received_data> ``` ##### 断开连接 结束会话前需释放资源以避免占用过多系统内存: ```plaintext AT+CIPCLOSE // 主动终止现有 TCP/IP 会话 ``` 以上每一步均对应于特定的 TCP 状态转移路径[^3]。 --- #### 三、注意事项 1. 在调试期间推荐配合串口工具 SSCOM 来实时观察反馈日志以便调整参数设置[^2]; 2. 如果目标环境复杂或者对外设兼容性要求较高,考虑采用 LuatOS 对默认固件进一步扩展定制化功能[^3]。 ---
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