TCP深入详解

TCP三次握手、四次挥手时序图：


#TCP协议状态机


1.TCP建立连接时的初始化序列号X、Y可以是写死固定的吗？
     如果初始化序列号（缩写为ISN：Inital Sequence Number）可以固定，我们来看看会出现什么问题。假设ISN固定是1，Client和Server建立好一条TCP连接后，Client连续给Server发了10个包，这10个包不知怎么被链路上的路由器缓存了(路由器会毫无先兆地缓存或者丢弃任何的数据包)，这个时候碰巧Client挂掉了，然后Client用同样的端口号重新连上Server，Client又连续给Server发了几个包，假设这个时候Client的序列号变成了5。接着，之前被路由器缓存的10个数据包全部被路由到Server端了，Server给Client回复确认号10，这个时候，Client整个都不好了，这是什么情况？我的序列号才到5，你怎么给我的确认号是10了，整个都乱了。所以现在的方法是在一个基准值得上产生一个随机值。
 
 
2.假如Client发送一个SYN包给Server后就挂了或是不管了，这个时候这个连接处于什么状态呢？会超时吗？为什么呢？

　　Client发送SYN包给Server后挂了，Server回给Client的SYN-ACK一直没收到Client的ACK确认，这个时候这个连接既没建立起来，也不能算失败。这就需要一个超时时间让Server将这个连接断开，否则这个连接就会一直占用Server的SYN连接队列中的一个位置，大量这样的连接就会将Server的SYN连接队列耗尽，让正常的连接无法得到处理。目前，Linux下默认会进行5次重发SYN-ACK包，重试的间隔时间从1s开始，下次的重试间隔时间是前一次的双倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s都知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，TCP才会把断开这个连接。由于，SYN超时需要63秒，那么就给攻击者一个攻击服务器的机会，攻击者在短时间内发送大量的SYN包给Server(俗称 SYN flood 攻击)，用于耗尽Server的SYN队列。对于应对SYN 过多的问题，linux提供了几个TCP参数：tcp_syncookies、tcp_synack_retries、tcp_max_syn_backlog、tcp_abort_on_overflow 来调整应对。

3.Client和Server同时发起断开连接的FIN包会怎么样呢，TCP状态是怎么转移的?

TCP的Peer两端同时发起FIN包进行断开连接，那么两端Peer可能出现完全一样的状态转移 FIN_WAIT1——>CLOSEING——->TIME_WAIT，也就会Client和Server最后同时进入TIME_WAIT状态。



4.上图中的四次挥手过程中，Server端的ACK确认包能不能和接下来的FIN包合并成一个包呢，这样四次挥手就变成三次挥手了？

答案是可能的。

TCP是全双工通信，Cliet在自己已经不会在有新的数据要发送给Server后，可以发送FIN信号告知Server，这边已经终止Client到对端Server那边的数据传输。但是，这个时候对端Server可以继续往Client这边发送数据包。于是，两端数据传输的终止在时序上是独立并且可能会相隔比较长的时间，这个时候就必须最少需要2+2 = 4 次挥手来完全终止这个连接。但是，如果Server在收到Client的FIN包后，在也没数据需要发送给Client了，那么对Client的ACK包和Server自己的FIN包就可以合并成为一个包发送过去，这样四次挥手就可以变成三次了(似乎linux协议栈就是这样实现的)。

5.四次挥手过程中，首先断开连接的一端，在回复最后一个ACK后，为什么要进行TIME_WAIT呢(超时设置是 2*MSL，RFC793定义了MSL为2分钟，Linux设置成了30s)，在TIME_WAIT的时候又不能释放资源，白白让资源占用那么长时间，能不能省了TIME_WAIT呢，为什么？

1）据TCP协议规范，不对ACK进行ACK，如果主动关闭方不进入TIME_WAIT，那么主动关闭方在发送完ACK就走了的话，如果最后发送的ACK在路由过程中丢掉了，最后没能到被动关闭方，这个时候被动关闭方没收到自己FIN的ACK就不能关闭连接，接着被动关闭方会超时重发FIN包，但是这个时候已经没有对端会给该FIN回ACK，被动关闭方就无法正常关闭连接了，所以主动关闭方需要进入TIME_WAIT以便能够重发丢掉的被动关闭方FIN的ACK。

2）防止链路上已经关闭的连接的残余数据包(a lost duplicate packet or a wandering duplicate packet) 干扰正常的数据包，造成数据流的不正常。这个问题和2）类似。

6.TIME_WAIT会带来哪些问题呢？

TIME_WAIT带来的问题注意是源于：一个连接进入TIME_WAIT状态后需要等待2*MSL(一般是1到4分钟)那么长的时间才能断开连接释放连接占用的资源，会造成以下问题.


1） 作为服务器，短时间内关闭了大量的Client连接，就会造成服务器上出现大量的TIME_WAIT连接，占据大量的tuple，严重消耗着服务器的资源。


2） 作为客户端，短时间内大量的短连接，会大量消耗的Client机器的端口，毕竟端口只有65535个，端口被耗尽了，后续就无法在发起新的连接了。
(由于上面两个问题，作为客户端需要连本机的一个服务的时候，首选UNIX域套接字而不是TCP)


TIME_WAIT很令人头疼，很多问题是由TIME_WAIT造成的，但是TIME_WAIT又不是多余的不能简单将TIME_WAIT去掉，那么怎么来解决或缓解TIME_WAIT问题呢？可以进行TIME_WAIT的快速回收和重用来缓解TIME_WAIT的问题。有没一些清掉TIME_WAIT的技巧呢？

【1】TIME_WAIT快速回收

同时打开tcp_tw_recycle和tcp_timestamps(默认打开)两选项

【2】TIME_WAIT重用

要同时开启tcp_tw_reuse选项和tcp_timestamps 选项才可以开启TIME_WAIT重用