TCP协议-建立连接、断开连接、状态转换图

来源：《UNIX网络编程　卷1：套接字联网API（第3版）》第2章传输层：TCP、UDP和SCTP

2.6 TCP连接的建立和终止

为帮助大家理解connect、accept和close这3个函数并使用netstat程序调试TCP应用，我们必须了解TCP连接如何建立和终止，并掌握TCP的状态转换图。

2.6.1　三路握手

建立一个TCP连接时会发生下述情形。

(1) 服务器必须准备好接受外来的连接。这通常通过调用socket、bind和listen这3个函数来完成，我们称之为被动打开（passive open）。

(2) 客户通过调用connect发起主动打开（active open）。这导致客户TCP发送一个SYN（同步）分节，它告诉服务器客户将在（待建立的）连接中发送的数据的初始序列号。通常SYN分节不携带数据，其所在IP数据报只含有一个IP首部、一个TCP首部及可能有的TCP选项（我们稍后讲解）。

(3) 服务器必须确认（ACK）客户的SYN，同时自己也得发送一个SYN分节，它含有服务器将在同一连接中发送的数据的初始序列号。服务器在单个分节中发送SYN和对客户SYN的ACK（确认）。

(4) 客户必须确认服务器的SYN。

这种交换至少需要3个分组，因此称之为TCP的三路握手（three-way handshake）。图2-2展示了所交换的3个分节。

图2-2给出的客户的初始序列号为J，服务器的初始序列号为K。ACK中的确认号是发送这个ACK的一端所期待的下一个序列号。因为SYN占据一个字节的序列号空间，所以每一个SYN的ACK中的确认号就是该SYN的初始序列号加1。类似地，每一个FIN（表示结束）的ACK中的确认号为该FIN的序列号加1。

建立TCP连接就好比一个电话系统［Nemeth 1997］。socket函数等同于有电话可用。bind函数是在告诉别人你的电话号码，这样他们可以呼叫你。listen函数是打开电话振铃，这样当有一个外来呼叫到达时，你就可以听到。connect函数要求我们知道对方的电话号码并拨打它。accept函数发生在被呼叫的人应答电话之时。由accept返回客户的标识（即客户的IP地址和端口号）类似于让电话机的呼叫者ID功能部件显示呼叫者的电话号码。然而两者的不同之处在于accept只在连接建立之后返回客户的标识，而呼叫者ID功能部件却在我们选择应答或不应答电话之前显示呼叫者的电话号码。如果使用域名系统DNS（见第11章），它就提供了一种类似于电话簿的服务。getaddrinfo类似于在电话簿中查找某个人的电话号码，getnameinfo则类似于有一本按照电话号码而不是按照用户名排序的电话簿。

2.6.2　TCP选项

每一个SYN可以含有多个TCP选项。下面是常用的TCP选项。

MSS选项。发送SYN的TCP一端使用本选项通告对端它的最大分节大小（maximum segment size）即MSS，也就是它在本连接的每个TCP分节中愿意接受的最大数据量。发送端TCP使用接收端的MSS值作为所发送分节的最大大小。我们将在7.9节看到如何使用TCP_MAXSEG套接字选项提取和设置这个TCP选项。

窗口规模选项。TCP连接任何一端能够通告对端的最大窗口大小是65535，因为在TCP首部中相应的字段占16位。然而当今因特网上业已普及的高速网络连接（45 Mbit/s或更快，如RFC 1323［Jacobson, Braden, and Borman 1992］所述）或长延迟路径（卫星链路）要求有更大的窗口以获得尽可能大的吞吐量。这个新选项指定TCP首部中的通告窗口必须扩大（即左移）的位数（0～14），因此所提供的最大窗口接近1 GB（65535×214）。在一个TCP连接上使用窗口规模的前提是它的两个端系统必须都支持这个选项。我们将在7.5节看到如何使用SO_RCVBUF套接字选项影响这个TCP选项。

为提供与不支持这个选项的较早实现间的互操作性，需应用如下规则。TCP可以作为主动打开的部分内容随它的SYN发送该选项，但是只在对端也随它的SYN发送该选项的前提下，它才能扩大自己窗口的规模。类似地，服务器的TCP只有接收到随客户的SYN到达的该选项时，才能发送该选项。本逻辑假定实现忽略它们不理解的选项，如此忽略是必需的要求，也已普遍满足，但无法保证所有实现都满足此要求。

时间戳选项。这个选项对于高速网络连接是必要的，它可以防止由失而复现的分组 可能造成的数据损坏。它是一个较新的选项，也以类似于窗口规模选项的方式协商处理。作为网络编程人员，我们无需考虑这个选项。

TCP的大多数实现都支持这些常用选项。后两个选项有时称为"RFC 1323选项"，因为它们是在RFC 1323［Jacobson, Braden, and Borman 1992］中说明的。既然高带宽或长延迟的网络被称为"长胖管道"（long fat pipe），这两个选项也称为"长胖管道选项"。TCPv1的第24章对这些选项有详细的叙述。

2.6.3　TCP连接终止

TCP建立一个连接需3个分节，终止一个连接则需4个分节。

(1) 某个应用进程首先调用close，我们称该端执行主动关闭（active close）。该端的TCP于是发送一个FIN分节，表示数据发送完毕。

(2) 接收到这个FIN的对端执行被动关闭（passive close）。这个FIN由TCP确认。它的接收也作为一个文件结束符（end-of-file）传递给接收端应用进程（放在已排队等候该应用进程接收的任何其他数据之后），因为FIN的接收意味着接收端应用进程在相应连接上再无额外数据可接收。

(3) 一段时间后，接收到这个文件结束符的应用进程将调用close关闭它的套接字。这导致它的TCP也发送一个FIN。

(4) 接收这个最终FIN的原发送端TCP（即执行主动关闭的那一端）确认这个FIN。

既然每个方向都需要一个FIN和一个ACK，因此通常需要4个分节。我们使用限定词"通常"是因为：某些情形下步骤1的FIN随数据一起发送；另外，步骤2和步骤3发送的分节都出自执行被动关闭那一端，有可能被合并成一个分节。图2-3展示了这些分组。

类似SYN，一个FIN也占据1个字节的序列号空间。因此，每个FIN的ACK确认号就是这个FIN的序列号加1。

在步骤2与步骤3之间，从执行被动关闭一端到执行主动关闭一端流动数据是可能的。这称为半关闭（half-close），我们将在6.6节随shutdown函数再详细介绍。

当套接字被关闭时，其所在端TCP各自发送了一个FIN。我们在图中指出，这是由应用进程调用close而发生的，不过需认识到，当一个Unix进程无论自愿地（调用exit或从main函数返回）还是非自愿地（收到一个终止本进程的信号）终止时，所有打开的描述符都被关闭，这也导致仍然打开的任何TCP连接上也发出一个FIN。

图2-3展示了客户执行主动关闭的情形，不过我们指出，无论是客户还是服务器，任何一端都可以执行主动关闭。通常情况是客户执行主动关闭，但是某些协议（譬如值得注意的HTTP/1.0）却由服务器执行主动关闭。

2.6.4　TCP状态转换图

TCP涉及连接建立和连接终止的操作可以用状态转换图（state transition diagram）来说明，如图2-4所示。

TCP为一个连接定义了11种状态，并且TCP规则规定如何基于当前状态及在该状态下所接收的分节从一个状态转换到另一个状态。举例来说，当某个应用进程在CLOSED状态下执行主动打开时，TCP将发送一个SYN，且新的状态是SYN_SENT。如果这个TCP接着接收到一个带ACK的SYN，它将发送一个ACK，且新的状态是ESTABLISHED。这个最终状态是绝大多数数据传送发生的状态。

自ESTABLISHED状态引出的两个箭头处理连接的终止。如果某个应用进程在接收到一个FIN之前调用close（主动关闭），那就转换到FIN_WAIT_1状态。但如果某个应用进程在ESTABLISHED状态期间接收到一个FIN（被动关闭），那就转换到CLOSE_WAIT状态。

我们用粗实线表示通常的客户状态转换，用粗虚线表示通常的服务器状态转换。图中还注明存在两个我们未曾讨论的转换：一个为同时打开（simultaneous open），发生在两端几乎同时发送SYN并且这两个SYN在网络中交错的情形下，另一个为同时关闭（simultaneous close），发生在两端几乎同时发送FIN的情形下。TCPv1的第18章中有这两种情况的例子和讨论，它们是可能发生的，不过非常罕见。

展示状态转换图的原因之一是给出11种TCP状态的名称。这些状态可使用netstat显示，它是一个在调试客户/服务器应用时很有用的工具。我们将在第5章中使用netstat去监视状态的变化。

2.6.5　观察分组

图2-5展示一个完整的TCP连接所发生的实际分组交换情况，包括连接建立、数据传送和连接终止3个阶段。图中还展示了每个端点所历经的TCP状态。

本例中的客户通告一个值为536的MSS（表明该客户只实现了最小重组缓冲区大小），服务器通告一个值为1460的MSS（以太网上IPv4的典型值）。不同方向上MSS值不相同不成问题（见习题2.5）。

一旦建立一个连接，客户就构造一个请求并发送给服务器。这里我们假设该请求适合于单个TCP分节（即请求大小小于服务器通告的值为1460字节的MSS）。服务器处理该请求并发送一个应答，我们假设该应答也适合于单个分节（本例即小于536字节）。图中使用粗箭头表示这两个数据分节。注意，服务器对客户请求的确认是伴随其应答发送的。这种做法称为捎带（piggybacking），它通常在服务器处理请求并产生应答的时间少于200 ms时发生。如果服务器耗用更长时间，譬如说1 s，那么我们将看到先是确认后是应答。（TCP数据流机理在TCPv1的第19章和第20章中详细叙述。）

图中随后展示的是终止连接的4个分节。注意，执行主动关闭的那一端（本例子中为客户）进入我们将在下一节中讨论的TIME_WAIT状态。

图2-5中值得注意的是，如果该连接的整个目的仅仅是发送一个单分节的请求和接收一个单分节的应答，那么使用TCP有8个分节的开销。如果改用UDP，那么只需交换两个分组：一个承载请求，一个承载应答。然而从TCP切换到UDP将丧失TCP提供给应用进程的全部可靠性，迫使可靠服务的一大堆细节从传输层（TCP）转移到UDP应用进程。TCP提供的另一个重要特性即拥塞控制也必须由UDP应用进程来处理。尽管如此，我们仍然需要知道许多网络应用是使用UDP构建的，因为它们需要交换的数据量较少，而UDP避免了TCP连接建立和终止所需的开销。

2.7 TIME_WAIT状态

毫无疑问，TCP中有关网络编程最不容易理解的是它的TIME_WAIT状态。在图2-4中我们看到执行主动关闭的那端经历了这个状态。该端点停留在这个状态的持续时间是最长分节生命期（maximum segment lifetime，MSL）的两倍，有时候称之为2MSL。

任何TCP实现都必须为MSL选择一个值。RFC 1122［Braden 1989］的建议值是2分钟，不过源自Berkeley的实现传统上改用30秒这个值。这意味着TIME_WAIT状态的持续时间在1分钟到4分钟之间。MSL是任何IP数据报能够在因特网中存活的最长时间。我们知道这个时间是有限的，因为每个数据报含有一个称为跳限（hop limit）的8位字段（见图A-1中IPv4的TTL字段和图A-2中IPv6的跳限字段），它的最大值为255。尽管这是一个跳数限制而不是真正的时间限制，我们仍然假设：具有最大跳限（255）的分组在网络中存在的时间不可能超过MSL秒。

分组在网络中"迷途"通常是路由异常的结果。某个路由器崩溃或某两个路由器之间的某个链路断开时，路由协议需花数秒钟到数分钟的时间才能稳定并找出另一条通路。在这段时间内有可能发生路由循环（路由器A把分组发送给路由器B，而B再把它们发送回A），我们关心的分组可能就此陷入这样的循环。假设迷途的分组是一个TCP分节，在它迷途期间，发送端TCP超时并重传该分组，而重传的分组却通过某条候选路径到达最终目的地。然而不久后（自迷途的分组开始其旅程起最多MSL秒以内）路由循环修复，早先迷失在这个循环中的分组最终也被送到目的地。这个原来的分组称为迷途的重复分组（lost duplicate）或漫游的重复分组（wandering duplicate）。TCP必须正确处理这些重复的分组。

TIME_WAIT状态有两个存在的理由：

(1) 可靠地实现TCP全双工连接的终止；

(2) 允许老的重复分节在网络中消逝。

第一个理由可以通过查看图2-5并假设最终的ACK丢失了来解释。服务器将重新发送它的最终那个FIN，因此客户必须维护状态信息，以允许它重新发送最终那个ACK。要是客户不维护状态信息，它将响应以一个RST（另外一种类型的TCP分节），该分节将被服务器解释成一个错误。如果TCP打算执行所有必要的工作以彻底终止某个连接上两个方向的数据流（即全双工关闭），那么它必须正确处理连接终止序列4个分节中任何一个分节丢失的情况。本例子也说明了为什么执行主动关闭的那一端是处于TIME_WAIT状态的那一端：因为可能不得不重传最终那个ACK的就是那一端。

为理解存在TIME_WAIT状态的第二个理由，我们假设在12.106.32.254的1500端口和206.168.112.219的21端口之间有一个TCP连接。我们关闭这个连接，过一段时间后在相同的IP地址和端口之间建立另一个连接。后一个连接称为前一个连接的化身（incarnation），因为它们的IP地址和端口号都相同。TCP必须防止来自某个连接的老的重复分组在该连接已终止后再现，从而被误解成属于同一连接的某个新的化身。为做到这一点，TCP将不给处于TIME_WAIT状态的连接发起新的化身。既然TIME_WAIT状态的持续时间是MSL的2倍，这就足以让某个方向上的分组最多存活MSL秒即被丢弃，另一个方向上的应答最多存活MSL秒也被丢弃。通过实施这个规则，我们就能保证每成功建立一个TCP连接时，来自该连接先前化身的老的重复分组都已在网络中消逝了。

这个规则存在一个例外：如果到达的SYN的序列号大于前一化身的结束序列号，源自Berkeley的实现将给当前处于TIME_WAIT状态的连接启动新的化身。TCPv2第958～959页对这种情况有详细的叙述。它要求服务器执行主动关闭，因为接收下一个SYN的那一端必须处于TIME_WAIT状态。rsh命令具备这种能力。RFC 1185［Jacobson, Braden, and Zhang 1990］讲述了有关这种情形的一些陷阱。