一. 序
當我們聊到 TCP 協議的時候，聊的最多的就是三次握手與四次揮手。但是大部分資料和文章，寫的都是正常的情況下的流程。但是你有沒有想過，三次握手或者四次揮手時，如果發生異常了，是如何處理的？又是由誰來處理？
TCP 作爲一個靠譜的協議，在傳輸數據的前後，需要在雙端之間建立連接，並在雙端各自維護連接的狀態。TCP 並沒有什麼特別之處，在面對多變的網絡情況，也只能通過不斷的重傳和各種算法來保證可靠性。
建立連接前，TCP 會通過三次握手來保證雙端狀態正確，然後就可以正常傳輸數據了。當數據傳輸完成，需要斷開連接的時候，TCP 會通過四次握手來完成雙端的斷連，並回收各自的資源。
我們在學習 TCP 建連和斷連時，多數都在說一個標準的流程，但是網絡環境是多變的，很多時候並不像教科書那樣標準，那麼今天就來聊聊，TCP 三次握手和四次揮手時，如果出現異常情況，是如何處理的?由是由誰來處理？
二. TCP 三次握手
2.1 簡單理解三次握手
雖然是說三次握手的異常情況，我們還是先來了解一下三次握手。
在通過 TCP 傳輸數據時，第一步就是要先建立一個連接。TCP 建立連接的過程，就是我們常說的三次握手。
我們經常將三次握手，描述成「 請求 → 應答 → 應答之應答 」。
至於 TCP 握手爲什麼是三次？其實就是要讓雙端都經歷一次「請求 → 應答」的過程，來確認對方還在。網絡情況是多變的，雙端都需要一次自己主動發起的請求和對方回覆的應答過程，來確保對方和網絡是正常的。
下面這張圖，是比較經典的 TCP 三次握手的消息和雙端狀態的變化。
TCP三次握手、四次揮手出現意外情況時，爲保證穩定，是如何處理的
我們先來解釋一下這張圖：
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在初始時，雙端處於 CLOSE 狀態，服務端爲了提供服務，會主動監聽某個端口，進入 LISTEN 狀態。
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客戶端主動發送連接的「SYN」包，之後進入 SYN-SENT 狀態，服務端在收到客戶端發來的「SYN」包後，回覆「SYN,ACK」包，之後進入 SYN-RCVD 狀態。
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客戶端收到服務端發來的「SYN,ACK」包後，可以確認對方存在，此時回覆「ACK」包，並進入 ESTABLISHED 狀態。
- 服務端收到最後一個「ACK」包後，也進入 ESTABLISHED 狀態。
這是正常的 TCP 三次握手，握手完成後雙端都進入 ESTABLISHED 狀態，在此之後，就是正常的數據傳輸過程。
2.2 TCP 握手的異常情況
三次握手的正常發包和應答，以及雙端的狀態扭轉我們已經講了，接下來就來看看在這三次握手的過程中，出現的異常情況。
- 客戶端第一個「SYN」包丟了。
如果客戶端第一個「SYN」包丟了，也就是服務端根本就不知道客戶端曾經發過包，那麼處理流程主要在客戶端。
而在 TCP 協議中，某端的一組「請求-應答」中，在一定時間範圍內，只要沒有收到應答的「ACK」包，無論是請求包對方沒有收到，還是對方的應答包自己沒有收到，均認爲是丟包了，都會觸發超時重傳機制。
所以此時會進入重傳「SYN」包。根據《TCP/IP詳解卷Ⅰ：協議》中的描述，此時會嘗試三次，間隔時間分別是 5.8s、24s、48s，三次時間大約是 76s 左右，而大多數伯克利系統將建立一個新連接的最長時間，限制爲 75s。
也就是說三次握手第一個「SYN」包丟了，會重傳，總的嘗試時間是 75s。
參考：《 TCP/IP 卷1 18|TCP連接的建立與終止 》
- 服務端收到「SYN」並回復的「SYN,ACK」包丟了。
此時服務端已經收到了數據包並回復，如果這個回覆的「SYN,ACK」包丟了，站在客戶端的角度，會認爲是最開始的那個「SYN」丟了，那麼就繼續重傳，就是我們前面說的「錯誤 1」 的流程。
而對服務端而言，如果發送的「SYN,ACK」包丟了，在超時時間內沒有收到客戶端發來的「ACK」包，也會觸發重傳，此時服務端處於 SYN_RCVD 狀態，會依次等待 3s、6s、12s 後，重新發送「SYN,ACK」包。
而這個「SYN,ACK」包的重傳次數，不同的操作系統下有不同的配置，例如在 Linux 下可以通過 tcp_synack_retries 進行配置，默認值爲 5。如果這個重試次數內，仍未收到「ACK」應答包，那麼服務端會自動關閉這個連接。
同時由於客戶端在沒有收到「SYN,ACK」時，也會進行重傳，當客戶端重傳的「SYN」被收到後，服務端會立即重新發送「SYN,ACK」包。
- 客戶端最後一次回覆「SYN,ACK」的「ACK」包丟了。
如果最後一個「ACK」包丟了，服務端因爲收不到「ACK」會走重傳機制，而客戶端此時進入 ESTABLISHED 狀態。
多數情況下，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態後，則認爲連接已建立，會立即發送數據。但是服務端因爲沒有收到最後一個「ACK」包，依然處於 SYN-RCVD 狀態。
那麼這裏的關鍵，就在於 服務端在處於 SYN-RCVD 狀態下，收到客戶端的數據包後如何處理？
這也是比較有爭議的地方，有些資料裏會寫到當服務端處於 SYN-RCVD 狀態下，收到客戶端的數據包後，會直接回復 RTS 包響應，表示服務端錯誤，並進入 CLOSE 狀態。
但是這樣的設定有些過於嚴格，試想一下，服務端還在通過三次握手階段確定對方是否真實存在，此時對方的數據已經發來了，那肯定是存在的。
所以當服務端處於 SYN-RCVD 狀態下時，接收到客戶端真實發送來的數據包時，會認爲連接已建立，並進入 ESTABLISHED 狀態。
實踐出真知，具體測試流程可以參考這篇文章：《 TCP三次握手的第三個ack丟了會怎樣 》
那麼實際情況，爲什麼會這樣呢？
當客戶端在 ESTABLISHED 狀態下，開始發送數據包時，會攜帶上一個「ACK」的確認序號，所以哪怕客戶端響應的「ACK」包丟了，服務端在收到這個數據包時，能夠通過包內 ACK 的確認序號，正常進入 ESTABLISHED 狀態。
參考：《 What if a TCP handshake segment is lost? 》
- 客戶端故意不發最後一次「SYN」包。
前面一直在說正常的異常邏輯，雙方都還算友善，按規矩做事，出現異常主要也是因爲網絡等客觀問題，接下來說一個惡意的情況。
如果客戶端是惡意的，在發送「SYN」包後，並收到「SYN,ACK」後就不回覆了，那麼服務端此時處於一種半連接的狀態，雖然服務端會通過 tcp_synack_retries 配置重試的次數，不會無限等待下去，但是這也是有一個時間週期的。
如果短時間內存在大量的這種惡意連接，對服務端來說壓力就會很大，這就是所謂的 SYN FLOOD 。
這就屬於安全的範疇了，今天就不討論了，有興趣可以自行了解。
三. TCP 四次揮手
3.1 簡單理解四次揮手
說完 TCP 三次握手，繼續來分析 TCP 四次揮手的異常情況。
保持行文風格，在此之前，我們還是先來簡單瞭解一下 TCP 的四次揮手。
當數據傳輸完成，需要斷開連接的時候，TCP 會採取四次揮手的方式，來安全的斷開連接。
爲什麼握手需要三次，而揮手需要四次呢？
本質上來說，雙端都需要經過一次「分手」的過程，來保證自己和對端的狀態正確。本着友好協商的態度，你先提出的分手，也要把最大的善意給對方，不能打了對方一個措手不及。你說不玩了就不玩了，那以後誰還敢和你玩。
下面這張圖，是比較經典的 TCP 四次揮手的消息和雙端狀態的變化。
TCP三次握手、四次揮手出現意外情況時，爲保證穩定，是如何處理的
我們解釋一下這張圖：
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初始時雙端還都處於 ESTABLISHED 狀態並傳輸數據，某端可以主動發起「FIN」包準備斷開連接，在這裏的場景下，是客戶端發起「FIN」請求。在發出「FIN」後，客戶端進入 FIN-WAIT-1 狀態。
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服務端收到「FIN」消息後，回覆「ACK」表示知道了，並從 ESTABLISHED 狀態進入 CLOSED-WAIT 狀態，開始做一些斷開連接前的準備工作。
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客戶端收到之前「FIN」的回覆「ACK」消息後，進入 FIN-WAIT-2 狀態。而當服務端做好斷開前的準備工作後，也會發送一個「FIN,ACK」的消息給客戶端，表示我也好了，請求斷開連接，並在發送消息後，服務端進入 LAST-ACK 狀態。
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客戶端在收到「FIN,ACK」消息後，會立即回覆「ACK」，表示知道了，並進入 TIME_WAIT 狀態，爲了穩定和安全考慮，客戶端會在 TIME-WAIT 狀態等待 2MSL 的時長，最終進入 CLOSED 狀態。
- 服務端收到客戶端回覆的「ACK」消息後，直接從 LAST-ACK 狀態進入 CLOSED 狀態。
正常的經過四次揮手之後，雙端都進入 CLOSED 狀態，在此之後，雙端正式斷開了連接。
3.2 TCP 揮手的異常情況
四次揮手的正常發包和應答過程，我們已經簡單瞭解了，接下來就繼續看看，四次揮手過程中，出現的異常情況。
- 斷開連接的 FIN 包丟了。
我們前面一直強調過，如果一個包發出去，在一定時間內，只要沒有收到對端的「ACK」回覆，均認爲這個包丟了，會觸發超時重傳機制。而不會關心到底是自己發的包丟了，還是對方的「ACK」丟了。
所以在這裏，如果客戶端率先發的「FIN」包丟了，或者沒有收到對端的「ACK」回覆，則會觸發超時重傳，直到觸發重傳的次數，直接關閉連接。
對於服務端而言，如果客戶端發來的「FIN」沒有收到，就沒有任何感知。會在一段時間後，也關閉連接。
- 服務端第一次回覆的 ACK 丟了。
此時因爲客戶端沒有收到「ACK」應答，會嘗試重傳之前的「FIN」請求，服務端收到後，又會立即再重傳「ACK」。
而此時服務端已經進入 CLOSED-WAIT 狀態，開始做斷開連接前的準備工作。當準備好之後，會回覆「FIN,ACK」，注意這個消息是攜帶了之前「ACK」的響應序號的。
只要這個消息沒丟，客戶端可以憑藉「FIN,ACK」包中的響應序號，直接從 FIN-WAIT-1 狀態，進入 TIME-WAIT 狀態，開始長達 2MSL 的等待。
- 服務端發送的 FIN,ACK 丟了。
服務端在超時後會重傳，此時客戶端有兩種情況，要麼處於 FIN-WAIT-2 狀態（之前的 ACK 也丟了），會一直等待；要麼處於 TIME-WAIT 狀態，會等待 2MSL 時間。
也就是說，在一小段時間內客戶端還在，客戶端在收到服務端發來的「FIN,ACK」包後，也會回覆一個「ACK」應答，並做好自己的狀態切換。
- 客戶端最後回覆的 ACK 丟了。
客戶端在回覆「ACK」後，會進入 TIME-WAIT 狀態，開始長達 2MSL 的等待，服務端因爲沒有收到「ACK」的回覆，會重試一段時間，直到服務端重試超時後主動斷開。
或者等待新的客戶端接入後，收到服務端重試的「FIN」消息後，回覆「RST」消息，在收到「RST」消息後，復位服務端的狀態。
- 客戶端收到 ACK 後，服務端跑路了。
客戶端在收到「ACK」後，進入了 FIN-WAIT-2 狀態，等待服務端發來的「FIN」包，而如果服務端跑路了，這個包永遠都等不到。
在 TCP 協議中，是沒有對這個狀態的處理機制的。但是協議不管，系統來湊，操作系統會接管這個狀態，例如在 Linux 下，就可以通過 tcp_fin_timeout 參數，來對這個狀態設定一個超時時間。
需要注意的是，當超過 tcp_fin_timeout 的限制後，狀態並不是切換到 TIME_WAIT，而是直接進入 CLOSED 狀態。
參考：《 關於FIN_WAIT2 》
- 客戶端收到 ACK 後，客戶端自己跑路了。
客戶端收到「ACK」後直接跑路，服務端後續在發送的「FIN,ACK」就沒有接收端，也就不會得到回覆，會不斷的走 TCP 的超時重試的機制，此時服務端處於 LAST-ACK 狀態。
那就要分 2 種情況分析：
在超過一定時間後，服務端主動斷開。
收到「RST」後，主動斷開連接。
「RST」消息是一種重置消息，表示當前錯誤了，應該回到初始的狀態。如果客戶端跑路後有新的客戶端接入，會在此發送「SYN」以期望建立連接，此時這個「SYN」將被忽略，並直接回復「FIN,ACK」消息，新客戶端在收到「FIN」消息後是不會認的，並且會回覆一個「RST」消息。