TCP状态迁移图浅析

一.TCP简介
     TCP提供一种面向连接的，可靠的字节流服务。面对连接意味着两个使用TCP的应用，在彼此交换数据之前必须先建立一个连接。TCP通过以下方式提供可靠性：
     1. 应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，由TCP传递给IP的信息单位成为报文段。 
     2. 当TCP发出一个段后，它就启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
     3. 当TCP收到TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，而是延迟发送的。
     4. TCP将保持对它首部和数据的校验和，这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输在传送过程中的任何变化。如果收到段得检验和有错误，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到报文段。
     5. TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的方式交给应用层。
     6. TCP的接收端必须丢弃重复的数据
     7. TCP还能提供流量控制，TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

二. TCP状态迁移路线图

下面的文章按照client/server两条路线讲述TCP状态迁移路线图。

 

还有一张比较经典的图

1、三次握手连接

（1）客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。

（2）服务器端回应客户端的，这是三次握手中的第2个报文，这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应；同时又标志SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。

（3） 客户必须再次回应服务段一个ACK报文，这是报文段3。

经典的三次握手示意图：

2、四次握手终止连接

由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

　（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。

　（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。

　（3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文段6）。

　（4） 客户段发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。

经典的四次握手关闭图：

3、各种状态说明

CLOSED: 这个没什么好说的了，表示初始状态。

LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态，表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。

SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了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，基本上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。

SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了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。

ESTABLISHED：这个容易理解了，表示连接已经建立了。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实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。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。

FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接。

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带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: 这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。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？其实细想一下，也不难得出结论：那就是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: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。

LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它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，也即可以进入到CLOSED可用状态了。

4. 连接建立

   1) Client
当Client端调用socket函数调用时，相当于Client端产生了一个处于Closed状态的套接字。
Client端又调用connect函数调用，系统为Client随机分配一个端口，连同传入connect中的参数(Server的IP和端口)，这就形成了一个连接四元组，connect调用让Client端的socket处于SYN_SENT状态
当Server返回确认，并发送SYN，Client返回确认及SYN后，套接字处于ESTABLISHED阶段，此时双方的连接已经可以进行读写操作

   2)Server
当Server端调用socket函数调用时，相当于Server端产生了一个处于Closed状态的监听套接字
Server端调用bind操作，将监听套接字与指定的地址和端口关联，然后又调用listen函数，系统会为其分配未完成队列和完成队列，此时的监听套接字可以接受Client的连接，监听套接字状态处于LISTEN状态。
当Server端调用accept操作时，会从完成队列中取出一个已经完成的client连接，同时在server这段会产生一个会话套接字，用于和client端套接字的通信，这个会话套接字的状态是ESTABLISH。
 
 5. 连接关闭
与连接建立分为server/client不同，连接关闭并没有绝对的server/client之分，连接关闭分为主动关闭和被动关闭。Server和client都可以担任这两个角色中的任意一个。如client可以关闭它与server的连接，同样的server一样也可以关闭一些长时间无读写事件发生的连接。既然这么说了，下面就会分成两个部分：client主动关闭，server主动关闭。

Client主动关闭，Server被动关闭：
Client主动关闭，Server被动关闭的情况还是蛮多的，比如说短连接中，当一次会话结束时，client就可以关闭它与server之间的连接。我们这边直接说close而非shutdown。
当client想要关闭它与server之间的连接，首先client这边会首先调用close函数，client端会发送一个FIN到server端，client端处于FIN_WAIT1状态。当server端返回给client ACK后，client处于FIN_WAIT2状态，server处于CLOSE_WAIT状态。
当server端检测到client端的关闭操作(read返回为0)，server端也需要调用close操作，server端会向client端发送一个FIN。此时server的状态为LAST_ACK，当client收到来自server的FIN后，client端的套接字处于TIME_WAIT状态，它会向server端再发送一个ack确认，此时server端收到ack确认后，此套接字处于CLOSED状态。

Server端主动关闭的流程与Client端关闭类似，就不再多讲，下面还需要关注的是TIME_WAIT这个状态，分别按照client/server两个部分讲述。
首先说一下TCP/IP详解中描述的关于TIME_WAIT的描述及其存在的必要性：
主动关闭的socket当收到对端的FIN操作后，该socket就会处于TIME_WAIT状态，处于TIME_WAIT状态的socket会存活2MSL(Max Segment Lifetime)，之所以存活这么长时间是有理由的：
一方面是可靠的实现TCP全双工连接的终止，也就是当最后的ACK丢失后，被动关闭端会重发FIN，因此主动关闭端需要维持状态信息，以允许它重新发送最终的ACK。
另一方面TCP在2MSL等待期间，定义这个连接(4元组)不能再使用，任何迟到的报文都会丢弃。设想如果没有2MSL的限制，恰好新到的连接正好满足原先的4元组，这时候连接就可能接收到网络上的延迟报文就可能干扰最新建立的连接。
另一方面是为了重复的分节在网络中消逝。对于
另一方面是网络上仍然可能有残余的数据包
当Client主动关闭时，正常情况下client的socket会经历TIME_WAIT的状态

连接在关闭的时候，双方都会有状态的迁移，这就要求我们的程序中一定要有比较完全的

6. Server端的监听套接字与会话套接字的不同：

当server端的socket调用bind和listen之后，监听套接字的状态就会变为LISTEN状态，监听套接字的工作决定了它只是监听连接。
当server端调用accept，相当于从套接字的完成队列中取出一个client的连接，此时可以确定四元组，即：client的IP和port；server的IP和port，双方各有一个套接字进行交互，这里需要说一下server端的socket，我称server端accept后产生的套接字为会话套接字，这个套接字一出生的状态就是ESTABLISH
由server端得四元组我们可以看出，一个server从理论上可以接收的连接数量取决于文件描述符的个数。