动手学习TCP：TCP特殊状态

前面两篇文章介绍了TCP状态变迁，以及通过实验演示了客户端和服务端的正常状态变迁。

下面就来看看TCP状态变迁过程中的几个特殊状态。

SYN_RCVD

在TCP连接建立的过程中，当服务端接收到[SYN]包后，就会发送[SYN, ACK]包，然后进入SYN_RCVD状态。

根据前面文章的介绍，服务器的上述行为被称为被动打开，并且会等待来自客户的的[ACK]包来完成TCP连接的建立。但是，如果此时客户端没有响应，服务端就会超时重传[SYN, ACK]包。

回想一下我们在"动手学习TCP: 环境搭建"一文中使用的例子，这个例子就只是客户端向服务端发送一个TCP连接建立请求包，然后就进入等待状态了。

让我们再次运行这个例子，通过Wireshark抓包可以看到，虚拟机中的服务端进行了五次超时重传，间隔为3s，6s，12s，24s，一共45s；但是，当第五个[SYN, ACK]包发送后，服务器将会继续等待48s，最终第五次重传也超时了。

在服务器重传这段时间，通过虚拟机中的命令行运行 netstat -anp TCP | findstr "192.168.56" 命令，会看到服务器处于SYN_RCVD状态。

SYN Flood攻击

从上面的实验结果可以看到，当服务端收到客户端的TCP连接请求后，会发送[SYN, ACK]包，进入SYN_RCVD状态。如果没有收到客户端的确认，服务器会尝试重传，并保持SYN_RCVD状态一段时间（通常是30秒到2分钟）。

由于服务端的SYN_RCVD状态，就有了SYN Flood攻击。

所谓的SYN Flood攻击就是，恶意的客户端给服务端发了一个SYN后，就下线了，于是服务器需要默认等93s（通常是30秒到2分钟，上面的例子是93s）才会断开连接。

这样，攻击者就可以把服务器的SYN连接的队列耗尽，让正常的连接请求不能处理。

对于如何避免SYN Flood攻击，服务端有很多设置方式，这里就不介绍了，有兴趣可以网上查查。

TIME_WAIT

在客户端的正常状态变迁中，客户端主动终止TCP连接，然后就会从TIME_WAIT状态到CLOSED状态。

TIME_WAIT状态也称为2MSL（Maximum Segment Lifetime）等待状态，这个设置是TCP中4中定时器之一（另外的3个定时器后面介绍）。

RFC793定义了MSL为2分钟，但是在实现中，MSL一般为30秒，1分钟或者两分钟。

为什么有 TIME_WAIT

之所以有一个TIME_WAIT状态，而不是直接转换成CLOSED状态，主要有下面两个原因：

1. 客户端发送最后的确认[ACK]后进入TIME_WAIT状态，但是这个[ACK]包可能会丢失；这种情况下服务端会重传[FIN, ACK]。也就是说，TIME_WAIT停留2被的MSL就是为了让TCP再次发送最后的[ACK]以方式这个[ACK]丢失。
2. 防止上一次连接中的包，迷路后重新出现，影响新连接（经过2MSL，上一次连接中所有的重复包都会消失）

TIME_WAIT的效果

当一端进入TIME_WAIT状态后，所产生的效果就是该端口在2MSL这段时间中不能被再次使用。

看一个实验例子，由于 操作系统不能检测到Pcap.Net实现的客户端的TCP连接状态，所以通过Python实现了一个简单的socket客户端，并强制指定客户端的端口号为3333：

from socket import *
import time

Client_ADDR = ("192.168.56.101", 3333)
Server_ADDR = ("192.168.56.102", 8081)
BUFSIZ = 1024


client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
client.bind(Client_ADDR)

client.connect(Server_ADDR)
print "client connect to server"
print "quit after 5 seconds"
time.sleep(5)
client.close()

当程序运行后，可以通过netstat命令看到客户端显示进入"ESTABLISHED"状态，当终止连接后，就进入了"TIME_WAIT"状态。

这时，当再次运行客户端程序的时候，就会遇到下面的异常，提示端口被占用：

TIME_WAIT的影响

从上面的介绍可以看到，主动终止TCP连接的一端会进入TIME_WAIT状态，该端TCP连接的端口将在2MSL时间中不可用。

如果在大并发的短连接情况下，TIME_WAIT 就会很多，系统的可用端口资源就会面临耗尽的情况。

这也就说明了HTTP的KeepAlive对HTTP服务器是多么的重要，在设置KeepAlive的情况下，浏览器会重用一个TCP连接来处理多个HTTP请求，减缓TIME_WAIT带来的影响。

复位报文段

关于复位报文段，它不是一个TCP状态，但是确实TCP状态变迁中不可少的一部分，所以在这里进行简单的介绍。

所谓复位报文段就是TCP首部中，设置RST标志的TCP包。一般来说，无论何时一个报文段发送过程中遇到连接错误，TCP都会发出一个[RST]包来重置该TCP连接。

一般下面情况下会经常碰到[RST]包：

请求不存在的端口

这次依然运行"动手学习TCP: 环境搭建"中的例子，只是把目标端口改为"1234"。

EndPointInfo endPointInfo = new EndPointInfo();
endPointInfo.SourceMac = "08:00:27:00:C0:D5";
endPointInfo.DestinationMac = "08:00:27:70:A6:AE";
endPointInfo.SourceIp = "192.168.56.101";
endPointInfo.DestinationIp = "192.168.56.102";
endPointInfo.SourcePort = 3330;
//endPointInfo.DestinationPort = 8081;
endPointInfo.DestinationPort = 1234;

运行程序，由于虚拟机中的"1234"端口并不是一个TCP监听端口，所以就会收到来自虚拟机的[RST]包：

异常终止一个连接

前面已经看到，正常终止一个TCP连接需要进行四次挥手，这也被称为有序释放（orderly release）。

但是，也有情况是通过[RST]包来释放一个连接，这种情况被称为异常释放（abortive release）。

异常终止一个连接对应用程序来说有两个优点：

1. 丢弃任何带发送数据并立即发送复位报文段
2. [RST]包的接收方能够区分另一端执行的是异常关闭还是正常关闭。

总结

本文介绍了TCP状态转换中的两个特殊状态：SYN_RCVD和TIME_WAIT。

SYN_RCVD状态会使服务端的特定端口，在一段时间内重传[SYN, ACK]包，直到超时或者客户端有相应；在该端时间内，服务器的该端口被占用。TIME_WAIT状态则是，主动关闭TCP连接的一端，会保持2MSL的时间后，才进入CLOSED状态。

后半部分简单介绍了复位报文段，以及复位报文段经常使用的情况。