TCP 状态机
TCP 协议的操作可以使用一个具有 11 种状态的有限状态机(Finite State Machine )来表示,图 3-12 描述了 TCP 的有限状态机,图中的圆角矩形表示状态,箭头表示状态之间的转换,各状态的描述如表 3-2 所示。图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器端建立连接的正常过程:客户端的状态变迁用粗实线,服务器端的状态变迁用粗虚线。细线用于不常见的序列,如复位、同时打开、同时关闭等。图中的每条状态变换线上均标有“事件/动作”:事件是指用户执行了系统调用(CONNECT 、 LISTEN 、 SEND 或 CLOSE)、收到一个报文段( SYN 、 FIN 、 ACK 或 RST )、或者是出现了超过两倍最大的分组生命期的情况;动作是指发送一个报文段( SYN 、 FIN 或 ACK )或什么也没有(用“-”表示)。
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,它便会脱离 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 。
表 3-2 TCP 状态表
状 态 |
描 述 |
CLOSED |
关闭状态,没有连接活动或正在进行 |
LISTEN |
监听状态,服务器正在等待连接进入 |
SYN RCVD |
收到一个连接请求,尚未确认 |
SYN SENT |
已经发出连接请求,等待确认 |
ESTABLISHED |
连接建立,正常数据传输状态 |
FIN WAIT 1 |
(主动关闭)已经发送关闭请求,等待确认 |
FIN WAIT 2 |
(主动关闭)收到对方关闭确认,等待对方关闭请求 |
TIMED WAIT |
完成双向关闭,等待所有分组死掉 |
CLOSING |
双方同时尝试关闭,等待对方确认 |
CLOSE WAIT |
(被动关闭)收到对方关闭请求,已经确认 |
LAST ACK |
(被动关闭)等待最后一个关闭确认,并等待所有分组死掉 |
1. 正常状态转换
我们用图 3-13 来显示在正常的 TCP 连接的建立与终止过程中,客户与服务器所经历的不同状态。读者可以对照图 3-12 来阅读,使用图 3-12 的状态图来跟踪图 3-13 的状态变化过程,以便明白每个状态的变化:
· 服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态(LISTEN ),等待客户端连接;
· 当客户端的一个应用程序发出CONNECT 命令后,本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为 SYNSENT 状态,然后给服务器发送一个 SYN 报文段;
· 服务器收到一个 SYN 报文段,其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号,进入 SYNRCVD 状态;
· 客户端收到 SYN + ACK 报文段,其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段,并转换为ESTABLISHED 状态;
· 服务器端收到确认的 ACK 报文段,完成了三次握手,于是也进入ESTABLISHED 状态。
在此状态下,双方可以自由传输数据。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。
· 客户端执行 CLOSE 原语,本地的 TCP 实体发送一个 FIN 报文段并等待响应的确认(进入状态 FINWAIT 1 );
· 服务器收到一个 FIN 报文段,它确认客户端的请求发回一个 ACK 报文段,进入 CLOSEWAIT 状态;
· 客户端收到确认 ACK 报文段,就转移到 FINWAIT 2 状态,此时连接在一个方向上就断开了;
· 服务器端应用得到通告后,也执行 CLOSE原语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 报文段,并进入 LASTACK 状态,等待最后一个 ACK 确认报文段;
· 客户端收到 FIN 报文段并确认,进入 TIMEDWAIT 状态,此时双方连接均已经断开,但 TCP 要等待一个 2 倍报文段最大生存时间 MSL (Maximum Segment Lifetime ),确保该连接的所有分组全部消失,以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 )。
服务器收到最后一个确认ACK 报文段,其TCP 实体便释放该连接,并删除连接记录,返回到初始状态(CLOSED )。
握手阶段:
序号 方向seq ack
1 A->B 10000 0
2 B->A 20000 10000+1=10001
3 A->B 10001 20000+1=20001
解释:
1:A向B发起连接请求,以一个随机数初始化A的seq,这里假设为10000,此时ACK=0
2:B收到A的连接请求后,也以一个随机数初始化B的seq,这里假设为20000,意思是:你的请求我已收到,我这方的数据流就从这个数开始。B的ACK是A的seq加1,即10000+1=10001
3:A收到B的回复后,它的seq是它的上个请求的seq加1,即10000+1=10001,意思也是:你的回复我收到了,我这方的数据流就从这个数开始。A此时的ACK是B的seq加1,即20000+1=20001
数据传输阶段:
序号 方向 seq ack size
23 A->B 40000 70000 1514
24 B->A 70000 40000+1514-54=41460 54
25 A->B 41460 70000+54-54=70000 1514
26 B->A 70000 41460+1514-54=42920 54
解释:
23:B接收到A发来的seq=40000,ack=70000,size=1514的数据包
24:于是B向A也发一个数据包,告诉B,你的上个包我收到了。B的seq就以它收到的数据包的ACK填充,ACK是它收到的数据包的SEQ加上数据包的大小(不包括以太网协议头,IP头,TCP头),以证实B发过来的数据全收到了。
25:A在收到B发过来的ack为41460的数据包时,一看到41460,正好是它的上个数据包的seq加上包的大小,就明白,上次发送的数据包已安全到达。于是它再发一个数据包给B。这个正在发送的数据包的seq也以它收到的数据包的ACK填充,ACK就以它收到的数据包的seq(70000)加上包的size(54)填充,即ack=70000+54-54(全是头长,没数据项)。
其实在握手和结束时确认号应该是对方序列号加1,传输数据时则是对方序列号加上对方携带应用层数据的长度.如果从以太网包返回来计算所加的长度,就嫌走弯路了.
另外,如果对方没有数据过来,则自己的确认号不变,序列号为上次的序列号加上本次应用层数据发送长度.