TCP協議網絡連接狀態詳解



注:主動、被動 與 服務器、客戶端沒有明確的對應關係。
這個圖N多人都知道,它排除和定位網絡或系統故障時大有幫助,但是怎樣牢牢地將這張圖刻在腦中呢?那麼你就一定要對這張圖的每一個狀態,及轉換的過程有深刻 的認識,不能只停留在一知半解之中。下面對這張圖的11種狀態詳細解析一下,以便加強記憶!不過在這之前,先回顧一下TCP建立連接的三次握手過程,以及 關閉連接的四次握手過程。

1、建立連接協議(三次握手)
(1)客戶端發送一個帶SYN標誌的TCP報文到服務器。這是三次握手過程中的報文1。
(2) 服務器端迴應客戶端的,這是三次握手中的第2個報文,這個報文同時帶ACK標誌和SYN標誌。因此它表示對剛纔客戶端SYN報文的迴應;同時又標誌SYN給客戶端,詢問客戶端是否準備好進行數據通訊。
(3) 客戶必須再次迴應服務段一個ACK報文,這是報文段3。
2、連接終止協議(四次握手)
   由於TCP連接是全雙工的,因此每個方向都必須單獨進行關閉。這原則是當一方完成它的數據發送任務後就能發送一個FIN來終止這個方向的連接。收到一個 FIN只意味着這一方向上沒有數據流動,一個TCP連接在收到一個FIN後仍能發送數據。首先進行關閉的一方將執行主動關閉,而另一方執行被動關閉。
 (1) TCP客戶端發送一個FIN,用來關閉客戶到服務器的數據傳送(報文段4)。
 (2) 服務器收到這個FIN,它發回一個ACK,確認序號爲收到的序號加1(報文段5)。和SYN一樣,一個FIN將佔用一個序號。
 (3) 服務器關閉客戶端的連接,發送一個FIN給客戶端(報文段6)。
 (4) 客戶段發回ACK報文確認,並將確認序號設置爲收到序號加1(報文段7)。
CLOSED: 這個沒什麼好說的了,表示初始狀態。
LISTEN: 這個也是非常容易理解的一個狀態,表示服務器端的某個SOCKET處於監聽狀態,可以接受連接了。
SYN_RCVD: 這個狀態表示接受到了SYN報文,在正常情況下,這個狀態是服務器端的SOCKET在建立TCP連接時的三次握手會話過程中的一箇中間狀態,很短暫,基本 上用netstat你是很難看到這種狀態的,除非你特意寫了一個客戶端測試程序,故意將三次TCP握手過程中最後一個ACK報文不予發送。因此這種狀態 時,當收到客戶端的ACK報文後,它會進入到ESTABLISHED狀態。
SYN_SENT: 這個狀態與SYN_RCVD遙想呼應,當客戶端SOCKET執行CONNECT連接時,它首先發送SYN報文,因此也隨即它會進入到了SYN_SENT狀 態,並等待服務端的發送三次握手中的第2個報文。SYN_SENT狀態表示客戶端已發送SYN報文。
ESTABLISHED:這個容易理解了,表示連接已經建立了。
FIN_WAIT_1: 這個狀態要好好解釋一下,其實FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2狀態的真正含義都是表示等待對方的FIN報文。而這兩種狀態的區別 是:FIN_WAIT_1狀態實際上是當SOCKET在ESTABLISHED狀態時,它想主動關閉連接,向對方發送了FIN報文,此時該SOCKET即 進入到FIN_WAIT_1狀態。而當對方迴應ACK報文後,則進入到FIN_WAIT_2狀態,當然在實際的正常情況下,無論對方何種情況下,都應該馬 上回應ACK報文,所以FIN_WAIT_1狀態一般是比較難見到的,而FIN_WAIT_2狀態還有時常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2:上面已經詳細解釋了這種狀態,實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET,表示半連接,也即有一方要求close連接,但另外還告訴對方,我暫時還有點數據需要傳送給你,稍後再關閉連接。
TIME_WAIT: 表示收到了對方的FIN報文,併發送出了ACK報文,就等2MSL後即可回到CLOSED可用狀態了。如果FIN_WAIT_1狀態下,收到了對方同時帶 FIN標誌和ACK標誌的報文時,可以直接進入到TIME_WAIT狀態,而無須經過FIN_WAIT_2狀態。
CLOSING: 這種狀態比較特殊,實際情況中應該是很少見,屬於一種比較罕見的例外狀態。正常情況下,當你發送FIN報文後,按理來說是應該先收到(或同時收到)對方的 ACK報文,再收到對方的FIN報文。但是CLOSING狀態表示你發送FIN報文後,並沒有收到對方的ACK報文,反而卻也收到了對方的FIN報文。什 麼情況下會出現此種情況呢?其實細想一下,也不難得出結論:那就是如果雙方幾乎在同時close一個SOCKET的話,那麼就出現了雙方同時發送FIN報 文的情況,也即會出現CLOSING狀態,表示雙方都正在關閉SOCKET連接。
CLOSE_WAIT: 這種狀態的含義其實是表示在等待關閉。怎麼理解呢?當對方close一個SOCKET後發送FIN報文給自己,你係統毫無疑問地會迴應一個ACK報文給對 方,此時則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢,實際上你真正需要考慮的事情是察看你是否還有數據發送給對方,如果沒有的話,那麼你也就可以 close這個SOCKET,發送FIN報文給對方,也即關閉連接。所以你在CLOSE_WAIT狀態下,需要完成的事情是等待你去關閉連接。
LAST_ACK: 這個狀態還是比較容易好理解的,它是被動關閉一方在發送FIN報文後,最後等待對方的ACK報文。當收到ACK報文後,也即可以進入到CLOSED可用狀態了。
最後有2個問題的回答,我自己分析後的結論(不一定保證100%正確)
1、 爲什麼建立連接協議是三次握手,而關閉連接卻是四次握手呢?
這 是因爲服務端的LISTEN狀態下的SOCKET當收到SYN報文的建連請求後,它可以把ACK和SYN(ACK起應答作用,而SYN起同步作用)放在一 個報文裏來發送。但關閉連接時,當收到對方的FIN報文通知時,它僅僅表示對方沒有數據發送給你了;但未必你所有的數據都全部發送給對方了,所以你可以未 必會馬上會關閉SOCKET,也即你可能還需要發送一些數據給對方之後,再發送FIN報文給對方來表示你同意現在可以關閉連接了,所以它這裏的ACK報文 和FIN報文多數情況下都是分開發送的。
2、 爲什麼TIME_WAIT狀態還需要等2MSL後才能返回到CLOSED狀態?
這是因爲: 雖然雙方都同意關閉連接了,而且握手的4個報文也都協調和發送完畢,按理可以直接回到CLOSED狀態(就好比從SYN_SEND狀態到 ESTABLISH狀態那樣);但是因爲我們必須要假想網絡是不可靠的,你無法保證你最後發送的ACK報文會一定被對方收到,因此對方處於 LAST_ACK狀態下的SOCKET可能會因爲超時未收到ACK報文,而重發FIN報文,所以這個TIME_WAIT狀態的作用就是用來重發可能丟失的 ACK報文。

同時打開

兩個應用程序同時執行主動打開的情況是可能的,雖然發生的可能性較低。每一端都發送一個SYN,並傳遞給對方,且每一端都使用對端所知的端口作爲本地端口。例如:

主機a中一應用程序使用7777作爲本地端口,並連接到主機b 8888端口做主動打開。

主機b中一應用程序使用8888作爲本地端口,並連接到主機a 7777端口做主動打開。

tcp協議在遇到這種情況時,只會打開一條連接。

這個連接的建立過程需要4次數據交換,而一個典型的連接建立只需要3次交換(即3次握手)

但多數伯克利版的tcp/ip實現並不支持同時打開。

SYN_RCVD與SYN_SEND都是轉換爲ESTABLISHED的中間狀態,目標是兩端均轉換到ESTABLISHED狀態。

同時關閉

如果應用程序同時發送FIN,則在發送後會首先進入FIN_WAIT_1狀態。在收到對端的FIN後,回覆一個ACK,會進入CLOSING狀態。在收到對端的ACK後,進入TIME_WAIT狀態。這種情況稱爲同時關閉。

同時關閉也需要有4次報文交換,與典型的關閉相同。



CLOSED: 表示初始狀態。
LISTEN: 表示服務器端的某個SOCKET處於監聽狀態,可以接受連接。
SYN_SENT:在服務端監聽後,客戶端SOCKET執行CONNECT連接時,客戶端發送SYN報文,此時客戶端就進入
SYN_SENT狀態,等待服務端的確認
SYN_RCVD: 表示服務端接受到了SYN報文,在正常情況下,這個狀態是服務器端的SOCKET在建立TCP連接時的三
次握手會話過程中的一箇中間狀態,很短暫,基本上用netstat你是很難看到這種狀態的,除非你特意寫了一
個客戶端測試程序,故意將三次TCP握手過程中最後一個ACK報文不予發送。因此這種狀態時,當收到客戶端的
ACK報文後,它會進入到ESTABLISHED狀態。
ESTABLISHED:表示連接已經建立了。
FIN_WAIT_1: 這個是已經建立連接之後,其中一方請求終止連接,等待對方的FIN報文。FIN_WAIT_1狀態是當
SOCKET在ESTABLISHED狀態時,它想主動關閉連接,向對方發送了FIN報文,此時該SOCKET即進入到FIN_WAIT_1
狀態。而當對方迴應ACK報文後,則進入到FIN_WAIT_2狀態,當然在實際的正常情況下,無論對方何種情況下
,都應該馬上回應ACK報文,所以FIN_WAIT_1狀態一般是比較難見到的,而FIN_WAIT_2狀態還有時常常可以用
netstat看到。
FIN_WAIT_2:實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET,表示半連接,也即有一方要求close連接,但另外還告訴對
方,我暫時還有點數據需要傳送給你,稍後再關閉連接。
TIME_WAIT: 表示收到了對方的FIN報文,併發送出了ACK報文,就等2MSL後即可回到CLOSED可用狀態了。如果
FIN_WAIT_1狀態下,收到了對方同時帶FIN標誌和ACK標誌的報文時,可以直接進入到TIME_WAIT狀態,而無須
經過FIN_WAIT_2狀態。
CLOSING: 這種狀態比較特殊,實際情況中應該是很少見,屬於一種比較罕見的例外狀態。正常情況下,當你
發送FIN報文後,按理來說是應該先收到(或同時收到)對方的ACK報文,再收到對方的FIN報文。但是CLOSING狀
態表示你發送FIN報文後,並沒有收到對方的ACK報文,反而卻也收到了對方的FIN報文。什麼情況下會出現此
種情況呢?其實細想一下,也不難得出結論:那就是如果雙方幾乎在同時close一個SOCKET的話,那麼就出現
了雙方同時發送FIN報文的情況,也即會出現CLOSING狀態,表示雙方都正在關閉SOCKET連接。
CLOSE_WAIT: 這種狀態的含義其實是表示在等待關閉。怎麼理解呢?當對方close一個SOCKET後發送FIN報文給
自己,你係統毫無疑問地會迴應一個ACK報文給對方,此時則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢,實際上你真
正需要考慮的事情是察看你是否還有數據發送給對方,如果沒有的話,那麼你也就可以close這個SOCKET,發
送FIN報文給對方,也即關閉連接。所以你在CLOSE_WAIT狀態下,需要完成的事情是等待你去關閉連接。
LAST_ACK: 這個狀態還是比較容易好理解的,它是被動關閉一方在發送FIN報文後,最後等待對方的ACK報文。
當收到ACK報文後,也即可以進入到CLOSED可用狀態了。
 
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