TCP三次握手、四次挥手及状态转换详解

TCP/IP 通信的的三次握手图解

TCP 通信握手图解

TCP是主机对主机层的传输控制协议，提供可靠的连接服务：

位码即tcp标志位，有6种标示：

• SYN(synchronous建立联机)
• ACK(acknowledgement 确认)
• PSH(push传送)
• FIN(finish结束)
• RST(reset重置)
• URG(urgent紧急)
• Sequence number(seq 顺序号码)
• Acknowledge number(ack 确认号码)

TCP握手详解

建立连接协议（三次握手）：

1. 第一次握手：客户端发送syn包（syn=x）的数据包到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
2. 第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP连接都将被一直保持下去。

连接终止协议（四次握手）

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. 第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但是，此时主动关闭方还可以接受数据。
2. 第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号， SYN 和 FIN 都有seq序号）。
3. 第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。
4. 第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

TCP状态转换图

TCP状态转换图

状态说明：
CLOSED: 这个表示初始状态。

LISTEN（服务器）: 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（服务器）: 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。

注:MSL(最大分段生存期)指明TCP报文在Internet上最长生存时间,每个具体的TCP实现都必须选择一个确定的MSL值.RFC 1122建议是2分钟,但BSD传统实现采用了30秒.TIME_WAIT 状态最大保持时间是2 * MSL,也就是1-4分钟

结论：在TIME_WAIT下等待2MSL，只是为了尽最大努力保证四次握手正常关闭。确保老的报文段在网络中消失，不会影响新建立的连接.

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。

思考

思考：

1、 为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可能未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2. 为什么不能用两次握手进行连接？

我们知道，3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在 S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的数据分组超时后，重复发送同样的数据分组。这样就形成了死锁。
就好比打电话， A打给B， A要告诉B ，我打给你了， B要回应给A听，OK，连接成功了；然后B也要得到A的确认，才能开始正式通话

3. 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？

什么是2MSL？MSL即Maximum Segment Lifetime，也就是报文最大生存时间，引用《TCP/IP详解》中的话：“它(MSL)是任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间。”那么，2MSL也就是这个时间的2倍，当TCP连接完成四个报文段的交换时，主动关闭的一方将继续等待一定时间(2-4分钟)，即使两端的应用程序结束。

1）为什么需要这个2MSL呢？

• 1. 虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。
• 2. 报文可能会被混淆，意思是说，其他时候的连接可能会被当作本次的连接。直接引用《The TCP/IP Guide》的说法：The second is to provide a “buffering period” between the end of this connection and any subsequent ones. If not for this period, it is possible that packets from different connections could be mixed, creating confusion.

2）TIME_WAIT状态存在的理由：

• 1. 可靠地实现TCP全双工连接的终止
     在进行关闭连接四路握手协议时，最后的ACK是由主动关闭端发出的，如果这个最终的ACK丢失，服务器将重发最终的FIN，因此客户端必须维护状态信息允许它重发最终的ACK。如果不维持这个状态信息，那么客户端将响应RST分节，服务器将此分节解释成一个错误（在java中会抛出connection reset的SocketException)。因而，要实现TCP全双工连接的正常终止，必须处理终止序列四个分节中任何一个分节的丢失情况，主动关闭 的客户端必须维持状态信息进入TIME_WAIT状态。
• 2. 允许老的重复分节在网络中消逝
     TCP分节可能由于路由器异常而“迷途”，在迷途期间，TCP发送端可能因确认超时而重发这个分节，迷途的分节在路由器修复后也会被送到最终目的地，这个 原来的迷途分节就称为lost duplicate。在关闭一个TCP连接后，马上又重新建立起一个相同的IP地址和端口之间的TCP连接，后一个连接被称为前一个连接的化身 （incarnation)，那么有可能出现这种情况，前一个连接的迷途重复分组在前一个连接终止后出现，从而被误解成从属于新的化身。为了避免这个情 况，TCP不允许处于TIME_WAIT状态的连接启动一个新的化身，因为TIME_WAIT状态持续2MSL，就可以保证当成功建立一个TCP连接的时 候，来自连接先前化身的重复分组已经在网络中消逝。
• 对第二点的补充说明. 防止lost duplicate对后续新建正常链接的传输造成破坏。lost duplicate在实际的网络中非常常见，经常是由于路由器产生故障，路径无法收敛，导致一个packet在路由器A，B，C之间做类似死循环的跳转。IP头部有个TTL，限制了一个包在网络中的最大跳数，因此这个包有两种命运，要么最后TTL变为0，在网络中消失；要么TTL在变为0之前路由器路径收敛，它凭借剩余的TTL跳数终于到达目的地。但非常可惜的是TCP通过超时重传机制在早些时候发送了一个跟它一模一样的包，并先于它达到了目的地，因此它的命运也就注定被TCP协议栈抛弃。另外一个概念叫做incarnation connection，指跟上次的socket pair一摸一样的新连接，叫做incarnation of previous connection。lost duplicate加上incarnation connection，则会对我们的传输造成致命的错误。大家都知道TCP是流式的，所有包到达的顺序是不一致的，依靠序列号由TCP协议栈做顺序的拼接；假设一个incarnation connection这时收到的seq=1000, 来了一个lost duplicate为seq=1000, len=1000, 则tcp认为这个lost duplicate合法，并存放入了receive buffer，导致传输出现错误。通过一个2MSL TIME_WAIT状态，确保所有的lost duplicate都会消失掉，避免对新连接造成错误。

3）该状态为什么设计在主动关闭这一方：

（1）发最后ack的是主动关闭一方
（2）只要有一方保持TIME_WAIT状态，就能起到避免incarnation connection在2MSL内的重新建立，不需要两方都有

4）对服务器的影响

当某个连接的一端处于TIME_WAIT状态时，该连接将不能再被使用。事实上，对于我们比较有现实意义的是，这个端口将不能再被使用。某个端口处于TIME_WAIT状态(其实应该是这个连接)时，这意味着这个TCP连接并没有断开(完全断开)，那么，如果你bind这个端口，就会失败。对于服务器而言，如果服务器突然crash掉了，那么它将无法在2MSL内重新启动，因为bind会失败。解决这个问题的一个方法就是设置socket的SO_REUSEADDR选项。这个选项意味着你可以重用一个地址。

5）如何正确对待2MSL TIME_WAIT

RFC要求socket pair在处于TIME_WAIT时，不能再起一个incarnation connection。但绝大部分TCP实现，强加了更为严格的限制。在2MSL等待期间，socket中使用的本地端口在默认情况下不能再被使用。若A 10.234.5.5:1234和B 10.55.55.60:6666建立了连接，A主动关闭，那么在A端只要port为1234，无论对方的port和ip是什么，都不允许再起服务。显而易见这是比RFC更为严格的限制，RFC仅仅是要求socket pair不一致，而实现当中只要这个port处于TIME_WAIT，就不允许起连接。这个限制对主动打开方来说是无所谓的，因为一般用的是临时端口；但对于被动打开方，一般是server，就悲剧了，因为server一般是熟知端口。比如http，一般端口是80，不可能允许这个服务在2MSL内不能起来。解决方案是给服务器的socket设置SO_REUSEADDR选项，这样的话就算熟知端口处于TIME_WAIT状态，在这个端口上依旧可以将服务启动。当然，虽然有了SO_REUSEADDR选项，但sockt pair这个限制依旧存在。比如上面的例子，A通过SO_REUSEADDR选项依旧在1234端口上起了监听，但这时我们若是从B通过6666端口去连它，TCP协议会告诉我们连接失败，原因为Address already in use.

Time_await 详解

因为TCP连接是双向的，所以在关闭连接的时候，两个方向各自都需要关闭。先发FIN包的一方执行的是主动关闭；后发FIN包的一方执行的是被动关闭。主动关闭的一方会进入TIME_WAIT状态，并且在此状态停留两倍的MSL时长。

穿插一点MSL的知识：MSL指的是报文段的最大生存时间，如果报文段在网络活动了MSL时间，还没有被接收，那么会被丢弃。关于MSL的大小，RFC 793协议中给出的建议是两分钟，不过实际上不同的操作系统可能有不同的设置，以Linux为例，通常是半分钟，两倍的MSL就是一分钟，也就是60秒，并且这个数值是硬编码在内核中的，也就是说除非你重新编译内核，否则没法修改它：

如果每秒的连接数是一千的话，那么一分钟就可能会产生六万个TIME_WAIT。

为什么主动关闭的一方不直接进入CLOSED状态，而是进入TIME_WAIT状态，并且停留两倍的MSL时长呢？这是因为TCP是建立在不可靠网络上的可靠的协议。例子：主动关闭的一方收到被动关闭的一方发出的FIN包后，回应ACK包，同时进入TIME_WAIT状态，但是因为网络原因，主动关闭的一方发送的这个ACK包很可能延迟，从而触发被动连接一方重传FIN包。极端情况下，这一去一回，就是两倍的MSL时长。如果主动关闭的一方跳过TIME_WAIT直接进入CLOSED，或者在TIME_WAIT停留的时长不足两倍的MSL，那么当被动关闭的一方早先发出的延迟包到达后，就可能出现类似下面的问题：

• 旧的TCP连接已经不存在了，系统此时只能返回RST包
• 新的TCP连接被建立起来了，延迟包可能干扰新的连接

不管是哪种情况都会让TCP不再可靠，所以TIME_WAIT状态有存在的必要性。

如何控制TIME_WAIT的数量？

如何控制TIME_WAIT的数量？

从前面的描述我们可以得出这样的结论：TIME_WAIT这东西没有的话不行，不过太多可能也是个麻烦事。下面让我们看看有哪些方法可以控制TIME_WAIT数量，这里只说一些常规方法，另外一些诸如SO_LINGER之类的方法太过偏门，略过不谈。

• tcp_tw_recycle：

顾名思义就是回收TIME_WAIT连接。可以说这个内核参数已经变成了大众处理TIME_WAIT的万金油，如果你在网络上搜索TIME_WAIT的解决方案，十有八九会推荐设置它，不过这里隐藏着一个不易察觉的陷阱：

当多个客户端通过NAT方式联网并与服务端交互时，服务端看到的是同一个IP，也就是说对服务端而言这些客户端实际上等同于一个，可惜由于这些客户端的时间戳可能存在差异，于是乎从服务端的视角看，便可能出现时间戳错乱的现象，进而直接导致时间戳小的数据包被丢弃。参考：tcp_tw_recycle和tcp_timestamps导致connect失败问题。

• tcp_tw_reuse：

顾名思义就是复用TIME_WAIT连接。当创建新连接的时候，如果可能的话会考虑复用相应的TIME_WAIT连接。通常认为「tcp_tw_reuse」比「tcp_tw_recycle」安全一些，这是因为一来TIME_WAIT创建时间必须超过一秒才可能会被复用；二来只有连接的时间戳是递增的时候才会被复用。官方文档里是这样说的：如果从协议视角看它是安全的，那么就可以使用。这简直就是外交辞令啊！按我的看法，如果网络比较稳定，比如都是内网连接，那么就可以尝试使用。

不过需要注意的是在哪里使用，既然我们要复用连接，那么当然应该在连接的发起方使用，而不能在被连接方使用。举例来说：客户端向服务端发起HTTP请求，服务端响应后主动关闭连接，于是TIME_WAIT便留在了服务端，此类情况使用「tcp_tw_reuse」是无效的，因为服务端是被连接方，所以不存在复用连接一说。让我们延伸一点来看，比如说服务端是PHP，它查询另一个MySQL服务端，然后主动断开连接，于是TIME_WAIT就落在了PHP一侧，此类情况下使用「tcp_tw_reuse」是有效的，因为此时PHP相对于MySQL而言是客户端，它是连接的发起方，所以可以复用连接。

说明：如果使用tcp_tw_reuse，请激活tcp_timestamps，否则无效。

• tcp_max_tw_buckets

名思义就是控制TIME_WAIT总数。官网文档说这个选项只是为了阻止一些简单的DoS攻击，平常不要人为的降低它。如果缩小了它，那么系统会将多余的TIME_WAIT删除掉，日志里会显示：「TCP: time wait bucket table overflow」。

优化配置

用vim打开配置文件：#vim /etc/sysctl.conf
在这个文件中，加入下面的几行内容：

net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

输入下面的命令，让内核参数生效：#sysctl -p

简单的说明上面的参数的含义：

net.ipv4.tcp_syncookies = 1
#表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
#表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
#表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_fin_timeout
#修改系統默认的 TIMEOUT 时间。

在经过这样的调整之后，除了会进一步提升服务器的负载能力之外，还能够防御小流量程度的DoS、CC和SYN攻击。

此外，如果你的连接数本身就很多，我们可以再优化一下TCP的可使用端口范围，进一步提升服务器的并发能力。依然是往上面的参数文件中，加入下面这些配置：

net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200
net.ipv4.ip_local_port_range = 10000 65000
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000
#这几个参数，建议只在流量非常大的服务器上开启，会有显著的效果。一般的流量小的服务器上，没有必要去设置这几个参数。

案例详解

1、问题描述：高负载下，系统响应变慢，并出现超时或失误失败情况，TIME_WAIT积压
2、问题影响：系统设置的自动回收时间为60s,但在压测中如果涉及的服务较多的情况下，比如这次以100TPS压力单测1个接口，涉及4-6个服务，每秒就会创建400+的连接，1分钟就是2.4万的连接，系统无法及时回收，压测两分钟后，新的请求过来，无法创建连接或无法及时创建连接，导致请求失败，严重时会出现整个服务器挂死（新来的请求无法创建连接）。
3、问题原因：Linux环境配置存在问题（后check所有测试环境均未配置，包括生产环境）
4、问题背景：在对A接口进行负载测试时，在一定压力下，出现了比较诡异的现象：在100TPS压力下，开始响应时间很快，都在0.3s左右，但压测不到一分钟开始出现大量事务失败，响应时间倍增，最后系统甚至出现“挂死”。
5、问题解决：增加以下，

[root@aaa1 ~]# vim /etc/sysctl.conf

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

这个是重点，表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
问题定位及验证：

netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'
TIME_WAIT 41735
CLOSE_WAIT 145
FIN_WAIT2 3
ESTABLISHED 413

不到两分钟，time_wait积压到4万，最后导致无法创建新的连接，事务全部失败。
添加参数后，再次验证，以下是压测十分钟中的time_wait数据，一致保持在5000以下，而且由于不需要重新创建连接，直接用已存在的，减少了资源开销，120TPS比之前压测100TPS的性能要好很多。

netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'
TIME_WAIT 4500
CLOSE_WAIT 7
ESTABLISHED 642

TIME_WAIT状态(2MSL)的作用
深入浅出TCP协议的2MSL TIME_WAIT状态
https://www.cnblogs.com/wujing-hubei/p/5699773.html
http://blog.sina.com.cn/s/blog_8e5d24890102w9yi.html
https://www.cnblogs.com/qlee/archive/2011/07/12/2104089.html
性能案例-Linux下解决time_wait连接过多（Linux内核优化）
优化Linux的内核参数来提高服务器并发处理能力
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