TCP的三次握手以及TCP状态转换图详解

今天来讨论一下TCP的三次握手以及TCP的状态转换图。首先发一个三次握手的流程图如下：

 

圖 2.4-3、三向交握之封包连接模式A:封包发起当用戶端想要对服务器端发起连接时，就必須要送出一個要求连线的封包，此时用戶端必须随机取用一個大于1024 以上的端口來做为程序通信的通道。然后在 TCP 的表头当中，必须带有 SYN 的主动连线(SYN=1)，並并且记下发送给服务器端的序列号(Sequence number = 10001) 。B:封包接收与确认封包发送当服务器端收到这个包，并且确定要接受这个包，就会开始制作一个同时带有SYN=1, ACK=1 的封包， 其中那个 acknowledge 的号码是要給 client 端确认用的，所以改数字会比(A 步驟)里面的 Sequence 号码多1 (ack = 10001+1 = 10002)， 那我们服务器也必须要确认用戶端确实可以接收我们的包才行，所以也会发送出一个Sequence (seq=20001) 給用户端，并且开始等待客户端的回应C:发送确认包当用户端收到服务器端发送的 ACK 数字后 (10002) 就能够确认之前发送的包被接收了， 接下来就会同意与服务器端建立连接，就会再一次发送一个确认包 (ACK=1) 給服务器，亦即是 acknowledge = 20001+1 = 20002 。D:取得最后的确认若一切都顺利，在服务器端收到带有 ACK=1 且 ack=20002 序列号的包后，客户端和服务器端就建立连接了。下面我们再来介绍一下TCP的状态转换图，如下：

 

 

注：主动、被动 与 服务器、客户端没有明确的对应关系。这个图N多人都知道，它排除和定位网络或系统故障时大有帮助，但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢？那么你就一定要对这张图的每一个状态，及转换的过程有深刻 的认识，不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解析一下，以便加强记忆！

 

CLOSED: 这个没什么好说的了，表示初始状态。
LISTEN: 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: 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遥想呼应，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。
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。
最后有2个问题的回答，我自己分析后的结论（不一定保证100%正确）
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，所以你可以未 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TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？
这是因为： 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。

同时打开

两个应用程序同时执行主动打开的情况是可能的，虽然发生的可能性较低。每一端都发送一个SYN,并传递给对方，且每一端都使用对端所知的端口作为本地端口。例如：

主机a中一应用程序使用7777作为本地端口，并连接到主机b 8888端口做主动打开。

主机b中一应用程序使用8888作为本地端口，并连接到主机a 7777端口做主动打开。

tcp协议在遇到这种情况时，只会打开一条连接。这个连接的建立过程需要4次数据交换，而一个典型的连接建立只需要3次交换（即3次握手）但多数伯克利版的tcp/ip实现并不支持同时打开。

SYN_RCVD与SYN_SEND都是转换为ESTABLISHED的中间状态，目标是两端均转换到ESTABLISHED状态。<