【计算机网络】TCP协议——2.连接管理(三次握手，四次挥手)

服务器端进程先创建传输控制块(TCB)，socket()创建套接字listenfd，bind()将套接字和端口号绑定，服务器进程准备接收客户端的连接请求。然后服务器进程调用listen()函数，使listenfd成为监听套接字，后续连接都从监听套接字获取。此时服务器端进程处于监听(listen)状态，紧接着调用accept()函数，在listenfd套接字中等待客户的连接到来

服务器端进程调用函数顺序：socket => bind => listen => accept。当执行到accept函数时，服务器进程会一直处于阻塞状态，直到有客户连接请求到达才返回

【2. 客户端发起连接请求，发送SYN同步报文段，第一次握手】

客户端进程也创建传输控制块(TCB)，socket()创建套接字，然后向服务器端发送连接请求报文段，这时请求报文段的首部标志位SYN=1，同时选择一个初始序号seq=x，这个初始序号x是随机产生的整数ISN。TCP规定，SYN报文段(即SYN=1的TCP报文段)不能携带数据，但要消耗一个序号。此时，客户端进程进入SYN-SENT(同步报文已发送)状态

客户端进程函数调用顺序：socket => connect。当客户端调用connect函数时，操作系统会自动bind()，客户端进程就会向服务器进程发送连接请求的SYN同步报文段

SYN=1的报文段称为同步报文段

ISN(Initial Sequence Number)初始序列号

seq序号，即当前发送的报文首字节的编号

【3. 服务器同意建立连接，回复确认信息，第二次握手】

服务器端进程收到连接请求报文，若同意建立连接，从listenfd中获取客户端信息，并且由服务器端操作系统向客户端进程发送SYN报文段给出确认。在确认报文的首部中，SYN=1，ACK=1，确认号ack=x+1 。同时也为自己选择一个初始序号seq = y。这个确认报文也不能携带数据，但同样要消耗一个序号。这时，TCP服务器进入SYN-RCVD(同步报文已收到)状态

TCP协议规定，只要接收方接收到数据，必须给发送方发送确认报文——报文首部ACK标志位为1

ack确认号，期望对方发送的下一个报文首字节的编号

【4. 客户端确认连接，发送确认连接信息，第三次握手】

客户端进程收到服务器进程的确认报文后，还要向服务器进程的SYN报文给出确认。在确认报文首部，ACK=1，确认号ack=y+1，序号seq=x+1。TCP标准规定，ACK报文可以携带数据，但如果不携带数据，则不消耗序号。在这种情况，客户端进程的下一个数据报文序号仍为seq=x+1。客户端在发送确认报文后，认为连接成功建立，先进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。

当服务器端进程收到客户端发送的确认报文后，认为连接成功建立，进入ESTABLISHED(已建立连接)状态

上面给出的TCP连接建立过程叫做“三次握手”。注意，上图服务器发送给客户端的报文，也可以拆分为两个报文，即先发送ACK=1(ack=x+1)的确认报文，再发送SYN=1(seq=y)的同步报文。客户端收到服务器端的同步报文段，发送确认报文，过程会变成“四次握手”，但效果一样

2. TCP连接建立相关问题

问题1：TCP建立连接可以只有2次握手吗？

回答：肯定不行。理由：在握手过程中，我们看到客户服务分别在最后一次握手建立连接。如果是两次握手，那么最后的报文由服务器发送，客户端接收

如此，服务器就会先于客户端建立连接。这是万万不可的。

如果确认报文丢失，那么服务器就会维护不成功的TCP连接
会很容易遭受SYN洪水攻击，即攻击者发送大量SYN请求，两次握手会使得服务器对每个送达的SYN都建立连接，如此会消耗大量资源，容易导致服务器崩溃
出现已失效的连接请求报文突然又传送到服务器端，维护失效的连接

“已失效的连接请求报文”是如何产生的呢？

假定一种异常情况：客户端A发送的第一个连接请求报文在某个网络结点滞留了，延误到客户端A认为该报文丢失失效，本次连接失败时，请求报文到达了服务器B。此时该请求报文已经失效，但B并不知道，所以给客户端A发送确认报文，如果只有两次握手，那么此时服务器B发出确认报文，建立连接，进入ESTABLISHED状态

由于A没有再发出建立连接的请求，因此不会处理B的确认报文，也不会向B发送数据。但B却认为连接成功建立，并一直等待A发送数据，浪费资源

所以握手次数绝不能是偶数次，因为这样会使得服务器先建立连接，将维护连接的成本嫁接给服务器

问题2：TCP连接建立为什么需要3次握手？

理由一：奇数次握手，客户端优先建立连接。

理由二：防止已失效的连接请求报文突然又传送到了服务器端，因而产生错误。

理由三：三次握手是客户服务器验证双方信道通畅，发送接收能力无误的最小成本

一二次握手，验证了客户端的发送和接收能力
二三次握手，验证了服务器端的发送和接收能力

问题3：在TCP连接建立过程中，如果服务器一直收不到客户端的ACK确认报文，会发生什么？

操作系统会给每个处于SYN-RCVD状态的服务器进程设定一个计时器，如果超过一定时间还没有收到客户端第三次握手的ACK确认报文，将会重新发送第二次握手的确认报文，直到重发达到一定次数才会放弃

问题4：初始序列号ISN为什么要随机初始化？

seq序号表示的是发送的TCP报文数据部分的起始字节位置，服务器/客户端可以通过序号正确读取数据。如果不是随机分配起始序列号，那么黑客就会很容易获取客户端与服务器之间TCP通信的初始序列号，然后通过伪造序列号让通信主机读取到携带病毒的TCP报文，发起网络攻击

问题5：SYN洪水攻击如何解决

SYN洪水攻击：攻击者在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断地发送连接请求的SYN同步报文。服务器需要为每个请求发送SYN-ACK确认报文，并等待客户端的确认，但因为是不存在IP地址，所以要像问题三中那样，不断发送SYN-ACK确认报文，直到重发到一定次数才会放弃，但这样同样消耗资源。

解决方法：

缩短SYN Timeout时间。由于SYN洪水攻击的效果取决于服务器上保持的半连接数，这个值=SYN攻击频率*SYN Timeout，所以通过缩短从接收到SYN报文到确认这个报文失效并丢弃的时间，可以成倍地降低服务器的载荷
设置SYN Cookie。给每一个连接请求的IP地址分配一个Cookie，如果短时间内连续收到某个IP地址的大量重复SYN报文，就认定收到了攻击，以后这个IP地址的报文将直接丢弃
使用防火墙。SYN 洪水很容易就能被防火墙拦截

二. 释放连接——四次挥手

TCP连接的释放可以用“四次挥手”的过程来描述。数据传输结束后，通信双方都可以释放连接。现在客户端和服务器都处于ESTABLISHED状态。释放连接的过程如下图所示：

1. 四次挥手过程描述

【1. 客户端主动断开连接，调用close(fd)发送释放连接的FIN报文，第一次挥手】

客户端进程调用close(fd)关闭套接字，操作系统发送释放连接的FIN结束报文，并停止发送数据，主动关闭TCP连接。在结束报文的首部，标志位FIN=1，序号字段seq=u，等于前面已发送的数据的最后一个字节的序号+1.此时客户端进入FIN_WAIT_1(终止等待)状态，等待服务器发送确认报文。

TCP规定，FIN报文即使不携带数据，也要消耗一个序号。与SYN报文一样

【2. 服务器收到客户端发送的结束报文，发出确认报文段，第二次挥手】

服务器收到客户端发送的释放连接的FIN结束报文，立即发送确认报文，确认号ack=u+1，序号seq=v，等于服务器前面已发送的数据的最后一个字节的序号+1。服务器进入CLOSE_WAIT(关闭等待)状态。TCP服务器进程此时通知上层应用程序，客户端不向服务器发送数据了，但服务器若有数据发送，客户端仍要接收，此时TCP连接处于半关闭(half-close)状态。

客户端收到服务器的确认报文后，进入FIN_WAIT2(终止等待2)状态，等待服务器发送的FIN结束报文

【3. 服务器调用close(connfd)关闭套接字，释放连接，发送FIN结束报文，第三次挥手】

当服务器没有要向客户端发送的数据时，其应用进程调用close(connfd)通知TCP释放连接，向客户端发送FIN结束报文。结束报文中，FIN=1，假定序号seq=w(半关闭状态，服务器可能还发送了一些数据)，同时还必须重复上次已发送过的确认号ack=u+1。此时，服务器进程进入LAST_ACK(最后确认)状态，等待客户端确认。

【4. 客户端收到服务器的FIN结束报文，发送确认报文，第四次挥手】

客户端在收到服务器的FIN结束报文后，向服务器发送ACK确认报文。在报文首部中，ACK=1，确认序号ack=w+1，序号seq=u+1(第一次挥手的FIN报文消耗一个序号)。然后客户端进入TIME_WAIT(时间等待)状态

此时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CLOSED状态，时间MSL(Maximum Segment Lifetime，最长报文寿命)即一个TCP报文存活的最长时间。RFC793建议2分钟，现在可以根据情况使用更小的MSL值。因此客户端进入TIME_WAIT状态，要经过4分钟才进入CLOSED状态，才可以建立下一个连接，当客户端撤销相应的传输控制块TCB，才结束这次TCP连接

服务器只要收到客户端的确认报文，就进入CLOSED状态。同样，服务器在撤销相应的传输控制块TCB后，就结束此次TCP连接

可以发现，先发起释放连接请求的一方，后结束TCP连接

2. TCP连接释放相关问题

问题1：为什么建立连接是三次握手，关闭连接是四次挥手

首先，建立连接也可以是四次握手，中间的SYN和ACK可以分成两次报文。其次关闭连接，中间服务器给客户端发送的确认报文和FIN结束报文也可以合并，但可能服务器方还有数据需要传输，FIN结束报文在上层调用close()时发送，此时服务器已没有数据传输。

发送FIN报文，只是表示本端不再继续发送数据，但还可以接收数据。TCP通信时全双工的，收到FIN报文，只是关闭一个方向的连接，此时TCP处于半关闭状态

问题2：为什么客户端在TIME_WAIT需要等待2MSL才进入CLOSED状态

理由一：保证客户端发送的最后一个ACK报文能到达对端，保证可靠的终止TCP连接。因为如果出现网络拥塞，该报文可能丢失，因而会使LAST_ACK状态的服务器收不到确认报文，而超时重传FIN报文，而客户端能在2MSL时间内收到重传的FIN报文。接着客户端重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后双方正常进入CLOSED状态

理由二：防止已失效的连接请求报文出现在本次TCP连接。客户端在发送完最后一个ACK报文后，再经过2MSL后，就可以使本次TCP连接持续时间内所产生的所有报文都从网络上消散。这样可以使下一个新的TCP连接不会出现之前旧的请求报文

问题3：TIME_WAIT状态何时出现？TIME_WAIT会带来哪些问题？

TIME_WAIT状态是主动发起关闭连接的一方在收到对方发送的FIN结束报文，并本端发送ACK报文后的状态。

TIME_WAIT的引入是为了让TCP报文得以自然消散，同时为了让被动关闭的一方能够正常关闭连接

服务器主动关闭连接：短时间关闭大量客户端连接，会出现大量TIME_WAIT状态，此时TCB并没有释放，占据大量的tuple(源IP地址、目的IP地址、协议号、源端口、目的端口)，严重消耗着服务器的资源。
客户端主动关闭连接：短时间内大量的短连接，会大量消耗客户端主机的端口号，毕竟端口号只有65535个，断开耗尽了，后续就无法启用新的TCP连接了。

问题4：解决TIME_WAIT状态引起的bind()函数执行失败

问题场景：因为主动关闭连接最终会进入TIME_WAIT状态，此时bind的IP地址，端口号都没有释放，重新启动服务会导致bind端口号失败。

解决方法：可以使用setsockopt()函数，设置socket描述符的SO_REUSEADDR选项，该选项可以让端口号被释放后立即再次使用，表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符

问题5：半连接，半打开，半关闭的区别
半连接：在TCP连接建立的三次握手中，主动发起连接请求的一方不发最后一次的ACK确认报文，使得服务器阻塞在SYN_RCVD(同步收到)状态

半打开：如果TCP通信一方异常关闭(如断网，断电，进程被kill掉)，而通信对端并不知情，此时TCP连接处于半打开状态，如果双方不进行数据通信，是无法发现问题的。解决方法是引入心跳机制，设置一个保活计时器(keepalive timer)，以检测半打开状态，检测到就发送RST复位报文，重新建立连接

半关闭：主动发起连接关闭请求的一方A发送了FIN结束报文段，对端B回复了ACK确认报文段后，B并没有立即发送本端的FIN结束报文段给A。此时A端处于FIN_WAIT-2（结束等待2）状态，A仍然可以接收B发送过来的数据，但是A已经不能再向B发送数据了。这时的TCP连接为半关闭状态。

补充：

在Socket编程中，服务器Listen的第二个参数

三次握手是操作系统自助完成的，但服务器需要accept返回，才会拿到客户端的连接信息。如果服务器没有accept，这个连接就是全连接。backlog是全连接队列的容量-1。

Linux内核协议栈为TCP连接管理使用两个队列：

半连接队列(用来保存SY_SENT和SYN_RECV状态的请求)
全连接队列(accept队列，用来保存处于ESTABLISHED状态，但应用层没有调用accept取走的请求)

三. TCP状态转换

为了更清晰地看出TCP连接的各种状态之间的关系，下图给出了TCP的状态转换示意图。

说明：紫色框框是TCP状态，红色是服务器进程的正常状态转换，蓝色是客户端进程的正常状态转换，黑色是异常变迁，即出现问题时的状态转换。

服务端状态转化：

【CLOSE -> LISTEN】：服务器端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端连接
【LISTEN -> SYN_RCVD】：一旦监听到连接请求(同步报文段)，就将该连接放入内核等待队列，并向客户端发送SYN确认报文
【SYN_RCVD -> ESTABLISHED】：服务端一旦受到客户端的确认报文，进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据
【ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT】：客户端主动关闭连接(调用close)，服务器会受到结束报文，服务器返回确认报文并进入CLOSE_WAIT
【CLOSE_WAIT -> LAST_ACK】：进入CLOSE_WAIT后说明服务器准备关闭连接(需要处理完之前的数据)；当服务器调用close关闭连接时，会向客户端发送FIN结束报文，进入LAST_ACK状态，等待客户端发送FIN结束报文的ACK确认报文
【LAST_ACK -> CLOSED】：服务器收到了对FIN结束报文的ACK确认报文，释放连接，撤销传输控制块TCB，释放相应的连接管理资源

客户端状态转化：

【CLOSED -> SYN_SENT】：客户端调用connect()，发送SYN同步报文段
【SYN_SENT -> ESTABLISHED】：connect()调用成功，进入ESTABLISHED状态，开始读写数据
【ESTABLISHED -> FIN_WAIT1】：客户端主动调用close()，向服务器发送FIN结束报文段，同时进入FIN_WAIT1状态
【FIN_WAIT1 -> FIN_WAIT2】：客户端收到服务器发送的对FIN结束报文的ACK确认报文，则进入FIN_WAIT2状态，开始等待服务器的FIN结束报文
【FIN_WAIT2 -> TIME_WAIT】：客户端收到服务器发送的FIN结束报文，进入TIME_WAIT状态，并发送最后一个ACK确认报文
【TIME_WAIT -> CLOSED】：客户端等待2MSL时间，才会进入CLOSED状态，释放连接资源