TCP传输连接有限状态机转换流程

10.3.5 TCP连接的状态转移

   从表10-6中可以看出，TCP Socket服务原语只有8个，比OSI/RM中定义的传输层服务原语还要少，但是在这8种TCP Socket服务原语中，有的原语又可以有不同的状态，如表10-8所示。我们把在TCP传输连接的建立和释放中的通信双方主机的这些状态称之为“有限状态机”（Finite State Machine，FSM）。下面我们来具体阐述一下在TCP传输连接建立、释放过程中这些原语状态的变化。

表10-8  TCP连接状态

状 态	描 述
CLOSED	呈阻塞、关闭状态，表示主机当前没有活动的传输连接或正在进行传输连接
LISTEN	呈监听状态，表示服务器正在等待新的传输连接进入
SYN RCVD	表示主机已收到一个传输连接请求，但尚未确认
SYN SENT	表示主机已经发出一个传输连接请求，等待对方确认
ESTABLISHED	传输连接建立，通信双方进入正常数据传输状态
FIN WAIT 1	（主动关闭）主机已经发送关闭连接请求，等待对方确认
FIN WAIT 2	（主动关闭）主机已收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求
TIMED WAIT	完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失
CLOSING	双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认
CLOSE WAIT	（被动关闭）收到对方发来的关闭传输连接请求，并已确认
LAST ACK	（被动关闭）等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失

    图10-37描述了TCP通信主机在传输连接建立和释放过程中的各种有限状态机，图中的方框中表示的是通信主机在不同时期的状态，箭头表示状态之间的转换，旁边的注释表示状态转换过程中所需进行动作（包括调用Socket服务原语和TCP数据段的发送和接收等）。图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器端连接建立的正常过程，其中客户端的状态转移用带箭头的粗实线表示，服务器端的状态转换用带箭头的粗虚线表示。带箭头的细线表示一些不常见的事件，如复位、同时打开、同时关闭等。

图10-37  TCP传输连接有限状态机转换流程

    每个连接均开始于 CLOSED 状态。当一方执行了被动的连接原语（LISTEN ）或主动的连接原语（ CONNECT ）时，它便会离开CLOSED状态。如果此时另一方执行了相对应的连接原语，连接便建立了，并且状态变为ESTABLISHED 。任何一方均可以首先请求释放连接，当连接被释放后，状态又回到了CLOSED 。

   为了看清楚客户端和服务器各自的状态转移流程，我们先沿着带箭头的粗实线路径来看客户端的状态转移过程，然后再沿着带箭头的虚实线路径来看服务器的状态转移过程。  

   （1）一开始，服务器应用层首先调用LISTEN原语从CLOSED状态进入被动打开状态（LISTEN ），等待客户端的连接；

   （2）当客户端的一个应用程序调用CONNECT原语后，本地的TCP实体为其创建一个连接记录并标记为SYN SENT状态，然后给服务器发送一个SYN数据段（SYN字段置1）。这是TCP传输连接建立的第一次握手。

   （3）服务器在收到一个客户端的SYN数据段后，其TCP实体给客户端发送确认ACK数据段（ACK字段置1），同时发送一个SYN数据段（SYN字段置1，表示接受同步请求），进入SYN RCVD状态。这是TCP传输连接的第2次握手。

   【说明】这里可能有一个非正常事件发生，那就是如果此时服务器不想建立传输连接，由其应用层调用CLOSE原语，向客户端发送一个FIN数据段（FIN字段置1），然后进入到FIN WAIT 1状态，等待客户端确认。当客户端收到服务器发来的FIN数据段后，向服务器发送一个ACK确认数据段后进入到CLOSING状态，表示双方同时尝试关闭传输连接，等待对方确认。在服务器收到客户端发来的ACK数据段后即进入到TIMED WAIT状态，在超时后双方即关闭连接。这是一种突发、非正常的连接关闭事件。

   （4）客户端在收到服务器发来的SYN和ACK数据段后，其TCP实体给服务器端发送一个ACK数据段，并进入ESTABLISHED状态。这是TCP连接的第3次握手。

   （5）服务器在收到来自客户端的ACK确认数据段后，完成整个TCP传输连接的全部三次握手过程，也进入ESTABLISHED状态。

   此时，双方可以自由进行数据传输了。当一个应用程序完成数据传输任务后，它需要关闭TCP连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。

   （6）客户端应用层调用CLOSE原语，本地的TCP实体发送一个FIN数据段（FIN字段置1），并等待服务器的确认响应，进入到FIN WAIT 1状态。

    【说明】这里又可能有一个非正常的事件发生，那就是客户端在FIN WAIT 1状态收到服务器的FIN和ACK数据段后（而不是像从FIN WAIT 2状态进入那样只收到服务器的ACK确认数据段），向服务器发送一个ACK数据段，直接就进入了TIMED WAIT状态。在超时后双方即关闭连接。

   （7）服务器在收到来自客户端的FIN数据段后，它给客户端发回一个ACK数据段（ACK字段置1）进入CLOSE WAIT状态。

   （8）客户端在收到来自服务器的ACK确认数据段后就进入到了FIN WAIT 2状态，此时连接在一个方向上就断开了，但仍可以接收服务器端发来的数据段。

   （9）当服务器收到客户端发来的FIN数据段时就知道客户端已有数据发送了，在本端已接收完全部的数据后，也由应用层调用CLOSE原语，请求关闭另一个方向的连接，其本地TCP实体向客户端发送一个FIN数据段，并进入LAST ACK状态，等待最后一个ACK确认数据段。

   （10）在客户端收到来自服务器的FIN数据段后，向服务器发送最后一个ACK确认数据段，进入TIMED WAIT状态。此时双方连接均已经断开，但TCP实体仍要等待一个2倍数据段MSL（Maximum Segment Lifetime，最大数据段生存时间），以确保该连接的所有分组全部消失，防止出现确认丢失的情况。当定时器超时后，TCP删除该连接记录，返回到初始状态（CLOSED ）。

   （11）服务器收到客户端最后一个ACK确认数据段后，其TCP实体便释放该连接，并删除连接记录，也返回到初始状态（CLOSED ）。

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