【Linux网络编程】TCP状态转换、半关闭、2MSL时长

------------->【Linux系统编程/网络编程】(学习目录汇总) <--------------

1. 三次握手、四次挥手过程中的状态变化

先结合下图回顾一下TCP建立连接的三次握手过程，关闭连接的四次挥手过程，以及在此过程中的状态变化。

主动发起连接请求端： CLOSE状态 --> 发送SYN标志位–> SYN_SEND状态 --> 接收对端发送的 ACK标志位、SYN标志位 --> SEND_SYN状态 --> 发送 ACK标志位 --> ESTABLISHED状态（数据通信态）

主动关闭连接请求端： ESTABLISHED状态（数据通信态） --> 发送 FIN标志位 --> FIN_WAIT_1状态 – 接收对段发送的ACK标志位 --> FIN_WAIT_2状态（半关闭）–> 接收对端发送的 FIN标志位 --> FIN_WAIT_2状态（半关闭）–> 回发ACK标志位 --> TIME_WAIT状态（只有主动关闭的连接方，会经历该状态）–> 等 2MSL时长 --> CLOSE状态

被动接收连接请求端： CLOSE状态 -->程序启动 --> LISTEN状态 --> 接收对端发送的 SYN标志位 --> LISTEN状态 --> 发送 ACK标志位和SYN标志位 --> SYN_RCVD状态 --> 接收对端发送的ACK标志位 --> ESTABLISHED状态（数据通信态）

被动关闭连接请求端： ESTABLISHED状态（数据通信态） --> 接收对端发送的 FIN标志位 --> ESTABLISHED状态（数据通信态）–> 发送ACK标志位 --> CLOSE_WAIT状态 (说明对端【主动关闭连接端】处于半关闭状态) --> 发送FIN标志位 --> LAST_ACK状态 --> 接收对端发送的ACK标志位 --> CLOSE状态

// 相关命令:
netstat -apn | grep client    查看客户端网络连接状态
netstat -apn | grep port		  查看端口的网络连接状态

2. TCP状态转换图

说明:

• 主动建立连接–>实线部分
• 被动建立连接–>虚线部分

CLOSED：表示初始状态。

LISTEN：该状态表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接。

SYN_SENT：这个状态与SYN_RCVD遥相呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，随即进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

SYN_RCVD: 该状态表示接收到SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂。此种状态时，当收到客户端的ACK报文后，会进入到ESTABLISHED状态。

ESTABLISHED：表示连接已经建立。

FIN_WAIT_1: FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。区别是：

FIN_WAIT_1状态是当socket在ESTABLISHED状态时，想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该socket进入到FIN_WAIT_1状态。

FIN_WAIT_2状态是当对方回应ACK后，该socket进入到FIN_WAIT_2状态，正常情况下，对方应马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般较难见到，而FIN_WAIT_2状态可用netstat看到。

FIN_WAIT_2：主动关闭链接的一方，发出FIN收到ACK以后进入该状态。称之为半连接或半关闭状态。该状态下的socket只能接收数据，不能发。

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，等2MSL后即可回到CLOSED可用状态。如果FIN_WAIT_1状态下，收到对方同时带 FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。

CLOSING: 这种状态较特殊，属于一种较罕见的状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的 ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT: 此种状态表示在等待关闭。当对方关闭一个SOCKET后发送FIN报文给自己，系统会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，察看是否还有数据发送给对方，如果没有可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，即关闭连接。所以在CLOSE_WAIT状态下，需要关闭连接。

LAST_ACK: 该状态是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，即可以进入到CLOSED可用状态。

3. 半关闭

当TCP链接中A发送FIN请求关闭，B端回应ACK后（A端进入FIN_WAIT_2状态），B没有立即发送FIN给A时，A方处在半关闭状态，此时A可以接收B发送的数据，但是A已不能再向B发送数据。从程序的角度，可以使用API来控制实现半关闭状态。

#include 
int shutdown(int sockfd, int how);

• sockfd: 需要关闭的socket的描述符
• how: 允许为shutdown操作选择以下几种方式:
  • SHUT_RD(0)： 关闭sockfd上的读功能，此选项将不允许sockfd进行读操作。该套接字不再接受数据，任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被无声的丢弃掉。
  • SHUT_WR(1): 关闭sockfd的写功能，此选项将不允许sockfd进行写操作。进程不能在对此套接字发出写操作。
  • SHUT_RDWR(2): 关闭sockfd的读写功能。相当于调用shutdown两次：首先是以SHUT_RD,然后以SHUT_WR。

注意:

• 使用close中止一个连接，它只是减少描述符的引用计数，并不直接关闭连接，只有当描述符的引用计数为0时才关闭连接。

  比如说：如果有多个进程共享一个套接字，close每被调用一次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close，套接字将被释放。

• shutdown不考虑描述符的引用计数，直接关闭描述符。也可选择中止一个方向的连接，只中止读或只中止写。

  比如说：在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其它的进程将无法进行通信。但如果一个进程close(sfd)将不会影响到其它进程。

4. 2MSL时长

4.1 为什么要2MSL时长？

让4次握手关闭流程更加可靠；4次握手的最后一个ACK是是由主动关闭方发送出去的，若这个ACK丢失，被动关闭方会再次发一个FIN过来。若主动关闭方能够保持一个2MSL的TIME_WAIT状态，则有更大的机会让丢失的ACK被再次发送出去。

做一个测试，首先启动server，然后启动client，用Ctrl-C终止server，马上再运行server，运行结果：

这是因为，虽然server的应用程序终止了，但TCP协议层的连接并没有完全断开，因此不能再次监听同样的server端口。我们用netstat命令查看一下：

server终止时，socket描述符会自动关闭并发FIN段给client，client收到FIN后处于CLOSE_WAIT状态，但是client并没有终止，也没有关闭socket描述符，因此不会发FIN给server，因此server的TCP连接处于FIN_WAIT2状态。

现在用Ctrl-C把client也终止掉，再观察现象：

client终止时自动关闭socket描述符，server的TCP连接收到client发的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定，主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态，等待两个MSL（maximum segment lifetime）的时间后才能回到CLOSED状态，因为我们先Ctrl-C终止了server，所以server是主动关闭连接的一方，在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口。

4.2 端口复用

如果想要解决上述问题，就必须要设置端口复用，使用的函数原型如下：

// 这个函数是一个多功能函数, 可以设置套接字选项
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

• 参数:
  • sockfd：用于监听的文件描述符
  • level：设置端口复用需要使用 SOL_SOCKET 宏
  • optname：要设置什么属性（下边的两个宏都可以设置端口复用）
    • SO_REUSEADDR
    • SO_REUSEPORT
  • optval：设置是去除端口复用属性还是设置端口复用属性，实际应该使用 int 型变量
    • 0：不设置
    • 1：设置
  • optlen：optval 指针指向的内存大小 sizeof (int)

那我们该在代码哪边加入这个函数呢?

在server代码的socket()和bind()调用之间插入如下代码：

int opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));