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上一小节，我们通过一个实验，深入地研究了 TCP 三次握手建立连接的过程。

我们退出 telnet 命令后，TCP 将关闭连接。于此同时，我们通过 tcpdump 也观察到 TCP 关闭连接的通信过程。本节，我们继续深入研究 TCP 关闭连接的通信细节。

上节实验中的通信过程，已经被抓包并保存起来，我们直接用 tcpdump 命令将其打开( tcp.pcap )：

  1. root@client [ ~ ]  ➜ tcpdump -nr tcp.pcap 
  2. reading fromfile tcp.pcap, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1) 
  3. 17:31:57.624391 ARP, Request who-has 10.0.0.2 tell 10.0.0.3, length 28 
  4. 17:31:57.624439 ARP, Reply 10.0.0.2 is-at0e:bd:60:1c:69:9d, length 28 
  5. 17:31:57.624450 IP 10.0.0.3.55692 > 10.0.0.2.22: Flags [S], seq 386101196, win 29200, options [mss 1460,sackOK,TS val 811948031 ecr 0,nop,wscale 7], length 0 
  6. 17:31:57.624495 IP 10.0.0.2.22 > 10.0.0.3.55692: Flags [S.], seq 1155103769, ack 386101197, win 28960, options [mss 1460,sackOK,TS val 3541712191 ecr 811948031,nop,wscale 7], length 0 
  7. 17:31:57.624522 IP 10.0.0.3.55692 > 10.0.0.2.22: Flags [.], ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 811948031 ecr 3541712191], length 0 
  8. 17:31:57.635739 IP 10.0.0.2.22 > 10.0.0.3.55692: Flags [P.], seq 1:42, ack 1, win 227, options [nop,nop,TS val 3541712202 ecr 811948031], length 41 
  9. 17:31:57.635778 IP 10.0.0.3.55692 > 10.0.0.2.22: Flags [.], ack 42, win 229, options [nop,nop,TS val 811948042 ecr 3541712202], length 0 
  10. 17:31:59.808411 IP 10.0.0.3.55692 > 10.0.0.2.22: Flags [F.], seq 1, ack 42, win 229, options [nop,nop,TS val 811950215 ecr 3541712202], length 0 
  11. 17:31:59.809175 IP 10.0.0.2.22 > 10.0.0.3.55692: Flags [.], ack 2, win 227, options [nop,nop,TS val 3541714376 ecr 811950215], length 0 
  12. 17:31:59.809464 IP 10.0.0.2.22 > 10.0.0.3.55692: Flags [F.], seq 42, ack 2, win 227, options [nop,nop,TS val 3541714376 ecr 811950215], length 0 
  13. 17:31:59.809483 IP 10.0.0.3.55692 > 10.0.0.2.22: Flags [.], ack 43, win 229, options [nop,nop,TS val 811950216 ecr 3541714376], length 0 

很显然，最后四个包就是四次挥手关闭连接的过程：

当我们按下 Ctrl-D 退出 telnet 命令时，客户机向服务器发出一个 FIN 包。这是一个设置了 FIN 标志位的 TCP 分组，它告诉服务器，客户机这端的数据已经发完，准备关闭连接：

服务器收到 FIN 包后，将回复一个 ACK 进行确认。注意到，确认号在 FIN 包序号的基础上加一，因为 FIN 也要占用一个序号，跟 SYN 一样。

于此同时，服务器将连接读端关闭的情况通知上层应用程序—— SSH 服务进程。至此，TCP 连接中从客户机到服务器的传输方向已经关闭，连接处于 半关闭 状态。

上图灰色部分就是其中已关闭的传输方向，它对客户机来说是 写端 ，对服务器来说是 读端 。另一个方向的数据传输仍可正常进行，因此服务器可以继续发送数据(写端)，客户机也可以接收服务器发来的数据(读端)。

SSH 服务进程获悉客户机关闭连接后，便准备结束服务并关闭连接。如果这时它还有数据没发完，仍可通过半开连接发往客户机。等所有数据都发送完毕，服务器同样发送 FIN 分组，告诉客户端连接关闭。

一个 TCP 连接包含两个方向的传输通道，因此需要两对 FIN/ACK 分组，各自负责关闭对应的方向。因此，这两对 FIN/ACK 交互也被形象地称为 四次挥手 。

状态变迁

TCP 建立连接需要三次握手，关闭连接需要四次挥手，步骤相对繁琐。这意味着一个 TCP 连接应该有很多中间状态，接下来我们深入研究一下：

上图是 TCP 连接全生命周期时序图，左边是客户端的时间轴，右边是服务端的时间轴。时间轴上的不同颜色，则分别表示客户端和服务端连接所处的状态：

  1. 客户端发出 SYN 分组，连接进入 SYN_SENT 状态;
  2. 服务端收到客户端发来的 SYN 分组，它回复 SYN/ACK 分组，连接进入 SYN_RECV 状态;
  3. 客户端收到服务器的 SYN/ACK 分组，它回复 ACK 分组，连接进入 ESTABLISHED 状态;
  4. 服务器收到客户端的 ACK 分组，服务端连接也进入 ESTABLISHED 状态;
  5. 当连接处于 ESTABLISHED 状态时，客户端和服务端可以互相传输数据;
  6. 时序图中间的数据分组及其后的 ACK 分组，为实验中 SSH 服务向客户机返回自己的版本信息(这部分数据被 telnet 命令直接输出到屏幕中);
  7. 客户端准备退出时，它通过 FIN 分组通知服务端，连接进入 FIN_WAIT1 状态;
  8. 服务器收到客户端发来的 FIN 分组，它回复 ACK 分组进行确认，连接进入 CLOSE_WAIT 状态;
  9. 客户端收到服务器发来的 ACK 分组，连接进入 FIN_WAIT2 状态;
  10. 这时连接处于半关闭状态，服务器仍可以向客户端发送数据;
  11. 服务器发完剩余数据后，向客户端发送 FIN 分组，通知客户端关闭连接，服务端连接便进入 LAST_ACK 状态;
  12. 客户端收到服务器发来的 FIN 分组，回复 ACK 分组进行确认，客户端连接进行 TIME_WAIT 状态;
  13. 服务端收到 ACK 分组后，连接彻底关闭;
  14. 由于最后一个 ACK 分组可能会丢，客户端必须在 TIME_WAIT 状态等待一段时间，以便对服务器重传的 FIN 分组进行确认;

至此，我们可以得到一个完整的 TCP 状态变迁图：

TCP 主动连接方(客户端)和被动连接方(服务端)的状态变迁路径是不一样的：图中的绿色路径是客户端正常情况的状态变迁路径;而红色路径是服务端正常情况下的变迁路径。从图中可以看到，主动关闭方的状态变迁，也比被动关闭方要复杂得多。

根据 TCP/IP详解 的介绍，TCP 协议也支持从服务端发起建立连接。但由于这种实现实际上非常罕见，这里就不作深入介绍了。

状态变迁是 TCP 协议的一个重要知识点，特别是对 TIME_WAIT 状态的理解，在后端技术面试中经常考察。

TIME_WAIT 状态

TCP 主动关闭方最终会进入 TIME_WAIT 状态，并维持 2MSL 时长，为什么呢?

如上图，假设四次挥手中最后一个 ACK 分组在网络中丢失了，会发生什么事情呢?这时被动关闭的服务端会重传 FIN 分组。因此主动关闭方不能直接关闭，而应该在 TIME_WAIT 状态下维持一段时间，以便向重传的 FIN 分组回复 ACK 分组。否则对端仍会重传 FIN 分组，并在重试若干次后放弃，这时连接只能异常关闭。

另一方面，一个 TCP 连接由通信双方的 IP 地址和端口组成的四元组唯一确定。如果主动关闭方不在 TIME_WAIT 状态下等待一段时间，而是快速关闭释放资源，又会发生什么事情呢?这时原来的四元组有可能被新的连接复用，而旧连接重传的 FIN 分组可能因网络原因延迟到达，最终对新连接产生冲突干扰。

那么，为什么是维持 TIME_WAIT 状态 2MSL 时长呢?

MSL 是最大分组寿命( maximum segment lifetime )的简称，即一个 TCP 分组被丢弃前能够在网络中存在的最长时间。这个时间肯定是有限的，因为负责传输 TCP 分组的 IP 包中有限制存活时间的 TTL 字段。由于 IP 包对存活时间的限制是基于跳数的，因此两者不对等。不同的网络协议栈实现，MSL的取值也不尽相同：30秒、1分钟或2分钟都有。

将 TIME_WAIT 状态维持 2MSL 时长是出于这样的考虑：

假设最后一个 ACK 分组刚好在存活时间耗尽前到达对端主机，这时已经过了 MSL 时间。对端收到 ACK 后，就会立即关闭连接，不可能再发送 FIN 分组。但如果对端在收到 ACK 前刚刚重传了 FIN 分组，就必须再经过 MSL 时间才能保证 FIN 分组从网络中消失。因此，连接必须维持 TIME_WAIT 状态 2MSL 时间后才能释放，否则就可能对潜在的新连接造成干扰。

你可能会问，如果最后一个 ACK 分组丢了，对端不是还会继续重传 FIN 分组吗?不用再继续等待 FIN 失效吗?

是的，对端肯定会重传 FIN 分组，而且通常 很快 就开始重传。MSL 一般是几十秒，而网络往返时间要小得多，通常只是毫秒级，TCP 重传时间数量级也是差不多。因此，在 MSL 时间内，TCP 可以重传 FIN 分组好几次了!如果其中有一个 FIN 分组可以到达，TCP 会重置定时器，将 TIME_WAIT 状态再维持 2MSL 时长。如果几个 FIN 分组都丢了，那再等下去也没啥意义了!

  • 如果最后一个 ACK 分组可以到达对端，最多只需要等待 2MSL 时间即可保证网络中没有对端重传的 FIN 分组;
  • 如果最后一个 ACK 分组丢失了，对端在 MSL 内已经重传 好多次 了;
    • 如果重传的 FIN 分组有一个可以到达本端，TCP 回复 ACK 后会重置定时器在 TIME_WAIT 继续等待 2MSL 时长;
    • 如果重传的 FIN 分组都丢了，说明网络质量很差，再等下去也没有意义了;

因此，主动关闭方收到对端 FIN 分组后，必须在 TIME_WAIT 状态等待 2MSL ，才能释放连接。这样既保证对重传 FIN 分组的回复，又保证重传的 FIN 分组从网络中消失，不会对复用四元组的新连接造成冲突干扰。

主动关闭方一般是客户端，并发一般不高，因此 TIME_WAIT 状态基本不会造成任何影响。如果一个高并发服务(比如 Web 服务)存在大量短连接，则可能留下很多 TIME_WAIT 状态的连接。由于 TIME_WAIT 状态套接字无法立即回收，它们将占用大量的系统资源，对服务的性能造成严重影响。

这时，系统管理员可以选择系统的 2MSL 时长适当调短，加快 TIME_WAIT 连接的清理速度。此外，在 Linux 系统中，可以开启 tcp_tw_recycle 和 tcp_tw_reuse 内核选项，以复用 TIME_WAIT 状态的套接字。这些属于 TCP 和系统调优的范畴，后续有机会再专门展开介绍。

标签： 四次 挥手 TCP 连接