18.TCP连接的建立与终止

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连接的建立与终止

通过如下命令让主机svr4与bsdi发起并终止连接

下面为tcpdump输出的TCP报文段部分

每行格式为源>目的：标志

上图中的标志的解释

• 第1行，1415531521:1415531521(0)表示分组的开始序号为1415531521，结束序号也为1415531521，数据字节数为0。这是连接同步请求，没有任何数据交换
• 第2行，ack 1415531522代表确认序号，这个值只有在ACK标志位为1时才显示
• win 4096表示发送端通告的窗口大小
• < mss 1024 >表示发送端指明的最大报文长度，发端不接收超过该长度的报文段

建立连接协议

三次握手：

1. 客户端发送一个SYN段作为连接请求，初始化序号为1415531521
2. 服务端响应一个SYN段，初始化序号为1823083521。同时发送确认报文，确认序号为1415531521+1=1415531522。一个SYN占用一个序号
3. 客户端响应确认报文，确认序号为1823083521+1=1823083522

终止连接协议

一个TCP连接是全双工，数据在两个方向传递，因此如果要关闭TCP连接，必须单独关闭两个方向的连接

四次握手：

1. 客户端发送FIN，请求关闭连接
2. 服务端收到FIN后，响应ACK
3. 服务端发送FIN，请求关闭连接
4. 客户端收到FIN后，响应ACK

之所以比连接多一次握手，是因为TCP支持半关闭，允许一边关闭连接后另一边仍能发送数据，所以无法合并报文5和报文6，两者之间仍然可能存在单向数据传输的报文。所以一旦使用了半关闭，这四次握手就会分成两个阶段执行

建立连接超时

其中第1、2次请求间隔5.8秒，第2、3次请求间隔24秒，其中tos 0x10代表telnet将IP数据报服务类型字段设为最小时延

上面显示的总耗时76秒，是因为在大多数实现中，新建连接的时间最长为75秒

BSD TCP采用500ms定时器，在初始化设置时，第一个500ms内会在任意时刻滴答一下，导致第一个间隔不是6秒而是5.8秒，但第二个间隔却是准确的24秒

最大报文段长度

MSS，表示TCP传往另一端最大数据块的长度。当建立TCP连接时，双方都要通告各自的MSS。如当A告知B MSS为1460时，表示B可以发给A的最大数据块长度就是1460

通常以太网将MSS设为MTU大小减去IP首部和TCP首部长度，即1500-20-20=1460

TCP的半关闭

TCP提供了发送端在结束发送后，依然可以接收数据的能力，这就是半关闭

在应用程序调用shutdown，并且第二个参数为1时，会使用半关闭。普通的close不会有半关闭。所以很少应用程序会使用到半关闭

为什么要有半关闭？

场景：当发送远程命令到目的主机执行时，命令发送完后，client就能结束数据发送，但仍然接收目的主机发回的执行结果，这就是半关闭状态，当目的主机发完数据时，结束数据发送，完成连接关闭。没有半关闭，目的主机无法知道client数据什么时候发完，也就无法执行命令并响应结果

TCP状态变迁图

其中SYN收到就是SYN_RCVD

通过上面两个图可以观察到

• client从CLOSED到ESTABLISHED所需要发送和接收的报文
• server从LISTEN到ESTABLISHED所需要发送和接收的报文
• ESTABLISHED状态才能进行数据传输
• client从ESTABLISHED到CLOSED所需要发送和接收的报文
• server从ESTABLISHED到CLOSED再到LISTEN所需要发送和接收的报文

并不存在CLOSED这个状态，它是一个假象的状态起点和终点，所以server从CLOSED过度到LISTEN不需要特殊处理

TIME_WAIT状态

又称2MSL等待状态，即2倍的报文段最大生存周期

当TCP主动关闭一方发送最后一个ACK时，会进入TIME_WAIT状态，等待2MSL时间才能彻底关闭连接

为什么需要等待2MSL呢？

1. 防止最后一个ACK丢失。如果真丢失，被动关闭一方会重发FIN（2MSL=MSL(丢失的ACK)+MSL(重发的FIN)）
2. 在2MSL期间不能复用连接（源IP、目的IP、源端口、目的端口的四元祖），避免原始连接中迷途的数据跑到新连接中

大部分TCP实现较为严格，在TIME_WAIT期间，无法复用端口

• 如果客户端主动关闭连接，进入TIME_WAIT，由于客户端是随机端口，无法复用原来端口可以很容易做到
• 如果服务端主动关闭连接，进入TIME_WAIT，由于服务端是知名端口，无法复用原来端口会导致重启服务耗时至少为2MSL。很多实现提供SO_REUSEADDR来绕过这个限制，保证服务端可以复用TIME_WAIT期间的端口

FIN_WAIT_2状态

当主动关闭一方发送FIN，并收到ACK后，会进入FIN_WAIT_2状态，直到被动关闭一方发送FIN，主动方才会响应ACK并进入TIME_WAIT状态

所以，如果被动关闭一方不关闭连接，会导致主动关闭一方永远处于FIN_WAIT_2状态，而被动关闭一方永远处于CLOSE_WAIT状态

复位报文段

当报文段发往一个socket时出现错误，TCP就会发出一个复位报文段。通常有以下三种场景：

1. 到不存在的端口发起连接请求。当发送到目的端，发现端口不存在，UDP会响应一个ICMP端口不可达差错，TCP会响应复位报文段
2. 异常终止一个连接。通过FIN正常关闭，但是需要处理排队的数据；复位报文段异常关闭，可以立即丢弃排队的数据
3. 检测半打开连接。当一边异常关闭连接而另一边不知道，这种是半打开连接。如server异常断电重启，client不知server的状况，继续发送报文，server收到后立马响应一个复位报文段

TCP选项

如图显示了三个选项：

1. 最大报文段长度
2. 窗口扩大因子
3. 时间戳

实际为了保证选项总长度是4字节的倍数，需要在其中填充无操作NOP选项

TCP服务器的设计

• 当服务端监听连接时，会处于LISTEN状态
• 当客户端请求到来时，会启动一个线程/进程去接收客户端连接请求
• 当客户端服务端连接建立时，处于ESTABLISHED状态

服务器可以限定本地监听的IP地址和远端请求的IP地址

连接队列

当服务器忙于处理客户端请求时，多的请求在连接建立后会放入连接队列。连接队列有以下规则：

1. 监听连接请求的一端会有固定长度的连接队列，该队列存储已建立连接（完成了三次握手）的请求，稍后应用程序会从该队列中移除请求并处理
2. 积压值（backlog）是这个队列的最大长度
3. 当该队列已满，TCP不会将理会后续的连接请求（SYN），并且不会回复RST。RST代表这个请求是硬错误，不能重试。而不理会会让客户端请求超时，发现是一个软错误，会进行重试

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