TCP連接的狀態(tài)

首先介紹一下TCP連接建立與關閉過程中的狀態(tài)。TCP連接過程是狀態(tài)的轉換，促使狀態(tài)發(fā)生轉換的因素包括用戶調用、特定數(shù)據(jù)包以及超時等，具體狀態(tài)如下所示：

CLOSED：初始狀態(tài)，表示沒有任何連接。

LISTEN：Server端的某個Socket正在監(jiān)聽來自遠方的TCP端口的連接請求。

SYN_SENT：發(fā)送連接請求后等待確認信息。當客戶端Socket進行Connect連接時，會首先發(fā)送SYN包，隨即進入SYN_SENT狀態(tài)，然后等待Server端發(fā)送三次握手中的第2個包。

SYN_RECEIVED：收到一個連接請求后回送確認信息和對等的連接請求，然后等待確認信息。通常是建立TCP連接的三次握手過程中的一個中間狀態(tài)，表示Server端的Socket接收到來自Client的SYN包，并作出回應。

ESTABLISHED：表示連接已經建立，可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

FIN_WAIT_1：主動關閉連接的一方等待對方返回ACK包。若Socket在ESTABLISHED狀態(tài)下主動關閉連接并向對方發(fā)送FIN包（表示己方不再有數(shù)據(jù)需要發(fā)送），則進入FIN_WAIT_1狀態(tài)，等待對方返回ACK包，此后還能讀取數(shù)據(jù)，但不能發(fā)送數(shù)據(jù)。在正常情況下，無論對方處于何種狀態(tài)，都應該馬上返回ACK包，所以FIN_WAIT_1狀態(tài)一般很難見到。

FIN_WAIT_2：主動關閉連接的一方收到對方返回的ACK包后，等待對方發(fā)送FIN包。處于FIN_WAIT_1狀態(tài)下的Socket收到了對方返回的ACK包后，便進入FIN_WAIT_2狀態(tài)。由于FIN_WAIT_2狀態(tài)下的Socket需要等待對方發(fā)送的FIN包，所有常?？梢钥吹?。若在FIN_WAIT_1狀態(tài)下收到對方發(fā)送的同時帶有FIN和ACK的包時，則直接進入TIME_WAIT狀態(tài)，無須經過FIN_WAIT_2狀態(tài)。

TIME_WAIT：主動關閉連接的一方收到對方發(fā)送的FIN包后返回ACK包（表示對方也不再有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，此后不能再讀取或發(fā)送數(shù)據(jù)），然后等待足夠長的時間（2MSL）以確保對方接收到ACK包（考慮到丟失ACK包的可能和迷路重復數(shù)據(jù)包的影響），最后回到CLOSED狀態(tài)，釋放網絡資源。

CLOSE_WAIT：表示被動關閉連接的一方在等待關閉連接。當收到對方發(fā)送的FIN包后（表示對方不再有數(shù)據(jù)需要發(fā)送），相應的返回ACK包，然后進入CLOSE_WAIT狀態(tài)。在該狀態(tài)下，若己方還有數(shù)據(jù)未發(fā)送，則可以繼續(xù)向對方進行發(fā)送，但不能再讀取數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

LAST_ACK：被動關閉連接的一方在CLOSE_WAIT狀態(tài)下完成數(shù)據(jù)的發(fā)送后便可向對方發(fā)送FIN包（表示己方不再有數(shù)據(jù)需要發(fā)送），然后等待對方返回ACK包。收到ACK包后便回到CLOSED狀態(tài)，釋放網絡資源。

CLOSING：比較罕見的例外狀態(tài)。正常情況下，發(fā)送FIN包后應該先收到（或同時收到）對方的ACK包，再收到對方的FIN包，而CLOSING狀態(tài)表示發(fā)送FIN包后并沒有收到對方的ACK包，卻已收到了對方的FIN包。有兩種情況可能導致這種狀態(tài)：其一，如果雙方幾乎在同時關閉連接，那么就可能出現(xiàn)雙方同時發(fā)送FIN包的情況；其二，如果ACK包丟失而對方的FIN包很快發(fā)出，也會出現(xiàn)FIN先于ACK到達。

圖解三次握手

實線代表服務器 的狀態(tài)轉換、虛線代表客戶端 的轉態(tài)轉換；

文字講解三次握手：

最開始客戶端和服務器，都處于 CLOSED 狀態(tài)，二者之間沒有任何聯(lián)系；

客戶端向服務器發(fā)起連接請求，具體操作是發(fā)送一個 SYN 給服務器，客戶端狀態(tài)轉而變?yōu)?SYN-SENT ,這是第一次握手 ；

由于客戶端向服務器發(fā)送請求了，服務器被動的進入 LISTEN 狀態(tài)；

如果服務器沒有想要客戶端的請求，則客戶端得不到服務器的回應，請求就會超時，一旦請求超時，客戶端的狀態(tài)，就會再次進入 CLOSED ；

如果服務器響應了這個請求，具體操作是：接收到了客戶端發(fā)送的 SYN，同時向客戶端發(fā)送回應 SYN+ACK，表示我收到你的請求了；然后服務器的狀態(tài)，進入 SYN-RECEIVED ; 這是第二次握手 ；

客戶端收到服務器的回應 SYN+ACK，然后再次向服務器發(fā)送一個 ACK，表示我收到你的回應了 ；客戶端的狀態(tài)進入 ESTABLISHED ；這是第三次握手 ；

服務器收到客戶端的響應 ACK 以后，狀態(tài)進入 ESTABLISHED ；

至此，三次握手完成，客戶端與服務器建立了可靠的連接，可以進行數(shù)據(jù)傳輸了 ；

上面有個特殊的地方：

假如客戶端發(fā)送請求報文SYN的時候，服務器也發(fā)送了請求報文SYN ，則客戶端進入 SYN-RECEIVED 狀態(tài)，角色變?yōu)榉掌鳎?一般這種情況是，沒有絕對的客戶端、服務器；通信的兩臺機器，可以在客戶端和服務器之間進行角色的切換 ；

圖解四次揮手

上面

實線代表主動關閉方 的狀態(tài)轉換、虛線代表被動關閉方 的轉態(tài)轉換；

文字講解四次揮手：

主動關閉方，發(fā)送 FIN 給被動關閉方，然后進入 FIN-WAIT-1 狀態(tài) ；

被動關閉方，收到主動關閉方的 FIN，會送一個回應 ACK 給主動發(fā)送方，然后進入 CLOSE-WAIT ；

主動方收到被動方回應的ACK，并且也回應一個ACK，然后進入 FIN-WAIT-2 ;

既然主動方要關閉連接，那么被動方也不能死皮賴臉的不關啊，它也就向主動方發(fā)送一個請求FIN，然后進入 LAST-ACK ；

被動方收到主動方的回應ACK，進入 CLOSED

主動方收到被動方發(fā)送的 FIN 之后，發(fā)送回應 ACK（主動方在接收到被動方發(fā)送的FIN，將不再接受任何信息，但是可以發(fā)送信息），進入 TIME-WAIT

上面是有一方先于對方，發(fā)起關閉請求 ,下面說下，雙方同時發(fā)起關閉請求的情況；

當雙方同時發(fā)起關閉請求的時候，雙方在發(fā)送完FIN 以后，都進入 FIN-WAIT-1 狀態(tài)；然后如果雙發(fā)又同時收到對方的FIN，以及同時收到對方回應的ACK，則直接進入 TIME-WAIT ；

如果雙方同時收到FIN，但是沒有同時收到ACK，則先進入 CLOSING，然后，在雙方都收到 ACK 以后，再進入 TIME-WAIT ;

為什么在進入 TIME-WAIT 的狀態(tài)以后，會等待 2MSL 的時間，再進入 CLOSED？

MSL 翻譯為：報文最大生存時間 ；,2MSL則是兩個報文最大生存世時間，等待這個時間的原因：是因為在網絡不好的時候，有時候，需要重新發(fā)送報文，因此進入這里的等待下 ；

對Server與Client的影響

在詳細了解TCP連接的狀態(tài)和關閉方式后，我們會發(fā)現(xiàn)TIME_WAIT狀態(tài)是一個坑爹的存在！主動關閉連接的一方在發(fā)送最后一個ACK包后，無論對方是否收到都會進入TIME_WAIT狀態(tài)，等待2MSL的時間，然后才能釋放網絡資源。MSL就是Maximum Segment Lifetime（數(shù)據(jù)包的最大生命周期），是一個數(shù)據(jù)包能在互聯(lián)網上生存的最長時間，若超過這個時間則該數(shù)據(jù)包將會消失在網絡中。操作系統(tǒng)通常會將2MSL設為4分鐘，最低不少于30秒，因而TIME_WAIT狀態(tài)一般維持在30秒至4分鐘。這個是TCP/IP協(xié)議必不可少的，是TCP/IP設計者設計的，也就是無法解決的。TIME_WAIT狀態(tài)的存在主要有兩個原因：

可靠地實現(xiàn)TCP全雙工連接的終止。在關TCP閉連接時，最后的ACK包是由主動關閉方發(fā)出的，如果這個ACK包丟失，則被動關閉方將重發(fā)FIN包，因此主動方必須維護狀態(tài)信息，以允許它重發(fā)這個ACK包。如果不維持這個狀態(tài)信息，那么主動方將回到CLOSED狀態(tài)，并對被動方重發(fā)的FIN包響應RST包，而被動關閉方將此包解釋成一個錯誤（在Java中會拋出connection reset的SocketException)。因而，要實現(xiàn)TCP全雙工連接的正常終止，必須能夠處理四次握手協(xié)議中任意一個包丟失的情況，主動關閉方必須維持狀態(tài)信息進入TIME_WAIT狀態(tài)。

確保迷路重復數(shù)據(jù)包在網絡中消失，防止上一次連接中的包迷路后重新出現(xiàn)，影響新連接。TCP數(shù)據(jù)包可能由于路由器異常而迷路，在迷路期間，數(shù)據(jù)包發(fā)送方可能因超時而重發(fā)這個包，迷路的數(shù)據(jù)包在路由器恢復后也會被送到目的地，這個迷路的數(shù)據(jù)包就稱為Lost Duplicate。在關閉一個TCP連接后，如果馬上使用相同的IP地址和端口建立新的TCP連接，那么有可能出現(xiàn)前一個連接的迷路重復數(shù)據(jù)包在前一個連接關閉后再次出現(xiàn)，影響新建立的連接。為了避免這一情況，TCP協(xié)議不允許使用處于TIME_WAIT狀態(tài)的連接的IP和端口啟動一個新連接，只有經過2MSL的時間，確保上一次連接中所有的迷路重復數(shù)據(jù)包都已消失在網絡中，才能安全地建立新連接。

對于Client而言，每個連接都需要占用一個端口，而系統(tǒng)允許的可用端口數(shù)不足65000個（這也是在TCP參數(shù)優(yōu)化后才能達到）。因此，如果Client發(fā)起過多的連接并主動關閉（假設沒有重用端口或者連接多個Server），就會有大量的連接在關閉后處于TIME_WAIT狀態(tài)，等待2MSL的時間后才能釋放網絡資源（包括端口），于是Client會由于缺少可用端口而無法新建連接。

對Server而言（特別是處理高并發(fā)短連接的Server），Server端與Client建立的連接是使用同一個端口的，即監(jiān)聽的端口，每個連接通過一個五元組區(qū)分，包括源IP地址、源端口、傳輸層協(xié)議號（協(xié)議類型）、目的IP地址、目的端口，因而在理論上，Server不受系統(tǒng)端口數(shù)的限制。但是，Server對每個端口上的連接數(shù)是有限制的，它要使用哈希表記錄端口上的每個連接，并受到文件描述符的最大打開數(shù)的限制。所以，如果Server主動關閉連接，同樣會有大量的連接在關閉后處于TIME_WAIT狀態(tài)，等待2MSL的時間后才能釋放網絡資源（包括哈希表上的連接記錄和文件描述符），于是Server會由于達到哈希表和文件描述符的限制而無法接受新連接，造成性能的急劇下滑，性能曲線會持續(xù)產生嚴重的波動。對于這種情況，有三種應對方式：

試圖讓Client主動關閉連接，由于每個Client的并發(fā)量都比較低，因而不會產生性能瓶頸。

優(yōu)化Server的系統(tǒng)TCP參數(shù)，使其網絡資源的最大值、消耗速度和恢復速度達到平衡。

改寫TCP協(xié)議，重新實現(xiàn)底層代碼，不過該方式難度很大，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性可能受到影響。

Windows系統(tǒng)下的TCP參數(shù)優(yōu)化

通常會采用修改注冊表的方式改進Windows的系統(tǒng)參數(shù)。下面將為大家介紹Windows系統(tǒng)下的TCP參數(shù)優(yōu)化方式，適用于Windows 2003、Windows XP、Windows 7以及Server版。對于具體的系統(tǒng)環(huán)境與性能需求，優(yōu)化方式會有所差異，效果也不盡相同，僅是個人的建議。所有的優(yōu)化操作都通過修改注冊表實現(xiàn)，需要使用regedit命令進入注冊表并創(chuàng)建或修改參數(shù)，修改完成后需要重啟系統(tǒng)，以使之生效。以下使用的參數(shù)值均為10進制。

1. TCPWindowSize

TCPWindowSize的值表示TCP的窗口大小。TCP Receive Window（TCP數(shù)據(jù)接收緩沖）定義了發(fā)送端在沒有獲得接收端的確認信息的狀態(tài)下可以發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)。此數(shù)值越大，返回的確認信息就越少，相應的在發(fā)送端和接收端之間的通信就越好。此數(shù)值較小時可以降低發(fā)送端在等待接收端返回確認信息時發(fā)生超時的可能性，但這將增加網絡流量，降低有效吞吐率。TCP在發(fā)送端和接收端之間動態(tài)調整一個最大段長度MSS（Maximum Segment Size）的整數(shù)倍。MSS在連接開始建立時確定，由于TCP Receive Window被調整為MSS的整數(shù)倍，在數(shù)據(jù)傳輸中完全長度的TCP數(shù)據(jù)段的比例增加，故而提高了網絡吞吐率。

缺省情況下，TCP將試圖根據(jù)MSS來優(yōu)化窗口大小，起始值為16KB，最大值為64KB。TCPWindowSize的最大值通常為65535字節(jié)（64KB），以太網最大段長度為1460字節(jié)，低于64KB的1460的最大整數(shù)倍為62420字節(jié)。

重置（RST)

幾種TCP連接中出現(xiàn)RST的情況

端口未打開

請求超時

提前關閉

在一個已關閉的socket上收到數(shù)據(jù)

TCP重置是一個好的事情，如果沒有reset，我們將會遇到各種各樣的TCP網絡連接問題。需要注意的是導致reset的原因是多種多樣的，不僅僅是兩端的節(jié)點還有可能是應用程序，追查問題時最重要的是查看包的狀態(tài)以及其重傳。

一個案例

當我們僅僅打開服務端之后（端口號為5188），我們來看看所處的狀態(tài)。

打開服務端：

調用命令查看所有的網絡狀態(tài)：netstat

然后，我們通過命令：摘取有關tcp的狀態(tài)：netstat -an |grep tcp

緊接著為了刪減出有效的信息，我們只需要tcp協(xié)議，5188這個端口，我們可以這樣做：

netstat -an|grep tcp|grep 5188

此刻，可以看到，這里的狀態(tài)是處于LISTEN，調用的accept函數(shù)還是在阻塞著，等待著返回。

這時，再次打開客戶端，繼續(xù)觀察一下狀態(tài)：

然后，繼續(xù)調用之前的命令：

netstat -an|grep tcp|grep 5188

當客戶端一打開，那么就完成了TCP的建立，這里，我們可以看到有兩個是：ESTABLISHED

其中第二行的42555表示的是客戶端所打開的端口，5188是服務端所打開的端口，客戶端連向了服務器端。

由于我們上面的測試是在同一臺主機上的，所以會出現(xiàn)上面的三種信息

而對于其他的狀態(tài)而言，只是因為狀態(tài)的轉化時間非常短（三次握手，四次揮手完成的特別快），我們不

去探究具體的狀態(tài)，下面

1.查找服務器進程：

ps -ef | grep echoserv

分析其pid號，知道了我們此刻打開的是中間的這個服務端（21858，21849）

所以，此刻，我們殺死這個進程：

kill -9 21858

到啦這里，我們再次查看一下狀態(tài)：

至于為什么會產生一個FIN_WAIT2, 而不是TIME_WAIT狀態(tài)呢？這是因為：我們程序中是這樣處理的，服務端關閉之后，然后客戶端接收到啦這個分節(jié)，并向服務端發(fā)送了當前的分節(jié)確認，然后自己阻塞在了從鍵盤獲取字符的這個位置，并不能運行到函數(shù)read處去，也就是說，read函數(shù)壓根就不會返回0，所以客戶端就不會重新向服務端重新發(fā)送關閉連接的分節(jié)，也就停留在此刻了，同樣的，

服務端接受到啦確認分節(jié)，那么自己的狀態(tài)就變成了FIN_WAIT_2,這樣就解釋的說明問題了