计算机网络-TCP断开连接阶段错误应对机制

连接断开阶段

• 四次挥手机制：TCP连接的断开需要四次挥手，这是因为双方都需要独立地关闭数据传输。第二次和第三次挥手不能合并，因为在回复第二次挥手的时候，可能还有数据没有接收完成，所以需要先回复ACK报文，等待所有的数据接收完成之后再发送FIN报文。这样可以确保数据的完整性。

• 延迟应答：TCP为了提高传输效率，采用了延迟应答的策略。如果没有响应数据要发送，TCP会延迟一段时间，等待是否有响应数据可以一起发送。这样可以减少网络的负载。如果在等待发送ACK期间，对方的第二个数据报文又到达了，这时就会立刻发送ACK。这样可以确保数据的及时性。如果开启了延迟应答的TCP，并且没有响应数据要发送，那么就可能看到ACK和FIN报文合并的情况。这是因为TCP为了提高效率，尽可能地将多个报文合并发送。

• 报文丢失：如果某次挥手的报文丢失了，TCP会进行超时重传，达到最大次数之后就强制断开连接。这是因为TCP为了确保数据的可靠性，采用了超时重传的策略。如果超过一定的时间还没有收到对方的应答，就会认为报文丢失，然后进行重传。

• 主机宕机：如果客户端/服务端建立连接后宕机/断网，会有以下几种情况：

  • 未宕机方传输数据：如果服务端向客户端传输数据的过程中发现客户端宕机并重启，客户端的TCP连接的数据结构已经丢失，那么会发送RST报文；如果客户端仍在宕机，服务端会触发超时重传，次数达上限后断开。这是因为TCP为了确保数据的可靠性，采用了超时重传的策略。
  • 宕机方传输数据：如果客户端宕机之后重启，希望与同一服务端连接，会发送SYN报文。如果客户端SYN报文中端口号与历史连接相同，服务端会认为这个SYN是乱序的，所以回复历史连接中的正确ACK（Challenge ACK），但是客户端发现这个ACK不是自己希望收到的，就会发送RST，双方断开连接。这是因为TCP为了防止乱序的报文影响到正常的连接，采用了Challenge ACK的策略。
  • 长时间无数据传输：为了防止客户端长时间不发送报文占用服务端资源，服务端可以开启TCP保活机制，发送探测报文来探测客户端还是否处于正常状态，否则只有服务端重启才能断开。这是因为TCP为了防止无效的连接占用资源，采用了保活机制。

• 进程崩溃：如果进程崩溃，操作系统会在回收资源的时候代为进行挥手过程，这与主机宕机是不同的，因为TCP的连接信息是由内核维护的。这是因为TCP为了防止进程崩溃导致的资源泄露，采用了进程崩溃后自动断开连接的策略。

• TIME_WAIT状态：

  TIME_WAIT状态是TCP连接断开后的一个必要状态。这个状态的存在有两个主要原因：
  • 防止旧报文干扰新连接：TIME_WAIT状态可以防止“旧的重复报文”在新的连接中被错误地接收。这是通过让TCP连接在TIME_WAIT状态持续2MSL的时间，使得网络中可能存在的属于“旧连接”的报文都消失，这样新的连接就不会收到旧的报文了。
  • 保证正常关闭：TIME_WAIT状态可以确保TCP连接可靠地关闭。这是通过在TIME_WAIT状态期间等待2MSL（报文最大生存时间）来实现的，这样可以保证对方收到了我们的FIN报文，如果对方没有收到，我们可以在这个时间内重发。

• 主动断开连接：

  主动断开连接会导致有很多处于TIME_WAIT状态的TCP连接，这会占用系统资源，因此，应该尽量让客户端承受TIME_WAIT。
  
  TCP连接可以在以下几种情况下被主动断开：
  • 长连接数量达上限：如果长连接的数量达到了系统的上限，系统可能会主动断开一些连接以释放资源。
  • 长连接超时：如果客户端长时间无请求，长连接可能会超时，此时服务端可能会主动断开连接。
  • 没有使用长连接：如果没有使用长连接（Keep-Alive），短链接一般由服务端主动关闭

• 快速复用：

  当TIME_WAIT状态过长会导致占用系统资源过多时，可以选择快速复用，但这相当于放弃了TIME_WAIT的作用，所以最好在保证安全的情况下复用。
  • tcp_tw_reuse选项：tcp_tw_reuse选项可以快速复用处于TIME_WAIT的连接，但需要配合时间戳一同开启。虽然有了时间戳控制可以避免历史报文，但是历史RST报文只要在接收窗口内就不会丢弃，而且也无法保证被动关闭方正常关闭。
  • tcp_tw_recycle选项：tcp_tw_recycle选项也可以快速复用，但是在使用了NAT网络的情况下是不安全的，因为tcp_tw_recycle和时间戳是针对IP地址做PAWS检查的，使用NAT会导致内网下的两个主机会映射到同一个IP，此时两端传输数据包，一端的时间戳会比另一端小，在服务器看来，会认为小的那一端是非法报文，从而丢弃。
  • tcp_max_tw_buckets选项：tcp_max_tw_buckets选项可以设定当前主机最多存在的TIME_WAIT状态的TCP连接的数量，当超过这个上限就可以直接关闭。