TCP之连接管理

　　TCP是面向连接的协议。传输连接是用来传送TCP报文的。TCP传输连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。因此，传输连接就有三个阶段，即：连接建立、数据传送和连接释放。输传连接的管理就是使传输连接的建立和释放都能正常地进行。

　　在TCP 连接的建立过程主要解决三个问题：

• 要使每一方都能够知道对方的存在
• 要允许双方协商一些参数（如窗口最大值、是否使用窗口扩大选项和时间戳等）
• 能够对运输实体资源（如缓存大小、连接表中的项目等）进行分配。

一、TCP连接建立

　　TCP建立连接的过程叫做握手，握手需要在客户和服务器之间交换三个TCP报文段。下图画出了三报文握手（three way (three message) handshake，以前译作“三次握手”）建立连接的过程。

 

 

1、连接建立的过程

1. 一开始A、B 均为关闭状态。B先开启服务器，建立传输控制块TCB。准备接受连接请求，然后处于LISTEN 状态。等待用户连接请求并作出响应。

• • TCB:（Transmission Control Block，存储了每一个连接中的一些重要信息，如：TCP 连接表，指向发送和接受缓存的指针，指向重传队列的指针，当前发送和接受序号等等）

2. A 也是先创建连接控制模块TCB 。然后A 向B 发送请求报文段，这时首部中的同步位SYN = 1，同时选择一个初始序号 seq = x。TCP 规定，SYN 报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。然后客户端进入SYN_SENT （同步已发送）状态。
3. B 接受到A 的连接请求后，如果同意连接需要给A发送确认。确认报文段ACK 置为1，确认号ack = x+1，同时选择一个自己的初始序号seq = y。请注意这个报文段也不能传输数据，但也要消耗一个序号。这是B 进入SYN_RCVD （同步收到）状态。
4. A 收到B 的确认后，需要再发送一个确认给B。确认报文段ACK 置为1，确认号ack = y + 1，而自己的序号seq = x + 1。TCP 规定，AC 报文段可以添加数据。但如果没有添加数据则不消耗序号。这时，TCP 连接已经建立，A 进入ESTABLISHED （已经建立连接）状态。
5. B 收到 A 的确认也进入ESTABLISHED （已经建立连接）状态。

2、为什么要进行三次握手

　　假设A B 只用两次握手就建立连接。

　　当A 第一次发送给B 连接请求时，如果迟迟得不到回应，A会再次发送连接请求。那么现在网络中有两次请求，一般情况下第一次请求挂掉了，那么B 收到第二次请求，然后回应A，连接建立，没毛病。但是第一次请求可能只是滞后了，假设AB断开连接后，B 又收到了第一次请求，又会尝试建立连接，但是A 会觉得自己没有尝试建立连接，从而拒绝B。因为是两次握手，B 会以为自己已经建立连接了，等待A 发送数据，白白浪费资源。

　　三次握手就不会出现这个问题，B 在发送确认后，得不到A 的确认，就会知道这是个过时的请求，知道A 没有要求建立连接。

二、TCP连接释放

　　数据传输结束后，通信的双方都可以释放连接。下图画出了TCP连接释放“四次挥手”的过程。

 

 

1、连接释放的过程

　　首先AB 都处于ESTABLISHED 状态

1. A 先发送连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP 连接。A 把链接释放报文段首部的中止控制位FIN 置为1 ，其序号为seq = u（等于前一个传输数据的序号+1）。这时A 进入 FIN-WAIT-1（终止等待连接1）状态，等待B 的确认。TCP规定，FIN 报文段即使不携带数据，也会消耗一个序号。
2. B 收到A 的连接释放报文段后发出确认。确认号ack = u + 1，而报文段自己的序号seq = v(等于前一个传输数据的序号+1)。然后B 进入CLOSED-WAIT（关闭等待）状态，这时A->B方向的连接就已经断开了，TCP 连接处于半关闭状态。
3. A 收到B 的确认后，进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待B 发送释放报文段。
4. 若B 发送完数据后，向A 发送TCP 释放报文段。FIN 置为1 ，先假设序号seq = w （B可能又发送了一些数据），B 还必须重复上次已经发送的确认号ack = u + 1。这是B 进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待A 的确认。
5. A 在收到连接释放报文段后发送确认。在确认报文段中把ACK 置为1 ，确认号ack = w + 1，而自己的序号seq = u + 1(TCP 规定，前面发送过的FIN 报文段要消耗一个序号)。然后进入到TIME-WAIT（时间等待）状态。
6. 现在TCP 连接还没有断掉。必须经过时间等待计时器（TIME-WAIT time）设置的2MSL时间过后，A 才进入到CLOSED 状态。

• • MSL(Maximum Segment Lifetimr)最长报文生存时间，RFC793 建议为2 分钟。

7. B 收到A 的ACK 后进入CLOSED 状态。

2、为什么A 在TIME-WAIT 必须等待2MSL时间

1. 为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN+ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN+ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN-ACK报文段。接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后，A和B都正常进入到CLOSED状态。如果A在TIME=WAIT状态不等待一段时间，而是在发送完ACK报文段后立即释放连接，那么就无法收到B重传的FIN+ACK报文段，因而也不会再发送一次确认报文段。这样，B就无法按照正常步骤进入CLOSED状态
2. 防止已失效的连接请求报文段出现在本链接中。A 在发送完最后一个ACK 后，在经过2MSL 的等待时间可以保证本链接持续时间内发送的报文在网络中消失。这样就不会出现旧连接请求出现在新连接请求里面的情况。　　

• • B只要收到了A发出的确认，就进入CLOSED状态。同样，B在撤销相应的传输控制块TCB后，就结束了这次的TCP握手。注意，B结束TCP连接的时间要比A早一些。

3、TCP 保活计时器

• 除了时间等待器外，TCP 还设有一个保活计时器（keepalive timer）。

• 当客户与服务器建立了连接，服务器就会发一个探测报文，75秒发一个，若客户端出现故障无法响应服务器端时，连续发10 个探测报文客户端都没响应，则服务器端自动关闭连接。保活计时器默认为2 个小时，每收到一次请求刷新一次。