【4.1】Socket编程、TCP挥手

TCP连接断开

四次挥手

• 四次挥手过程

  • 客户端发送FIN报文，客户端进入FIN_WAIT_1状态。

  • 服务端接收报文，发送ACK报文，服务端进入CLOSE_WAIT状态。

  • 客户端收到ACK报文，进入FIN_WAIT_2状态。

  • 服务端处理完数据后，也发送FIN报文，服务端进入LAST_ACK状态。

  • 客户端接收报文，发送ACK报文，进入TIME_WAIT状态。

  • 服务器收到ACK报文，进入CLOSE状态。至此，服务器关闭连接。

  • 客户端在经过2MSL时间后，自动进入CLOSE状态。至此，客户端关闭连接。

    • 主动关闭连接的一方才有TIME_WAIT状态。
    

• 为什么是四次挥手？不是三次？

  在关闭连接时，客户端向服务器发送FIN，仅仅表示客户端不再发送数据，但是可以接收数据。

  服务器收到FIN报文时，先回复ACK应答报文，而服务器可能还有数据要处理和发送，等服务器端不再发送数据时，才发送FIN报文给客户端表示同意关闭连接。

  所以，因为服务端要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的ACK 和FIN是分开发送的，所以需要四次挥手。

• 挥手丢失会发送什么？

  • 第一次挥手丢失，客户端收不到ACK，会触发超时重传机制，重传FIN报文。

    • 重发次数由 tcp_orphan_retries 参数控制。当客户端重传 FIN 报文的次数超过 tcp_orphan_retries 后，就不再发送 FIN 报文，则会在等待一段时间（时间为上一次超时时间的 2 倍），如果还是没能收到第二次挥手，那么直接进入到 close 状态。

  • 第二次挥手丢失，客户端收不到ACK，会触发超时重传机制，重传FIN报文。（ACK报文不会重传）

    • 如果关闭方调用close()函数关闭连接，FIN_WAIT2状态不可以持续太久，而tcp_fin_timeout 控制了这个状态下连接的持续时长，默认值是 60 秒。

    • 如果关闭方调用shutdown()函数关闭连接，指定了之关闭发送方向，而接收方向没有关闭，那么意味着主动关闭方还是可以接收数据的。此时，如果主动关闭方一直没收到第三次挥手，那么主动关闭方的连接将会一直处于 FIN_WAIT2 状态

  • 第三次挥手丢失，服务端收不到ACK，会触发超时重传机制，服务端重传FIN报文。

    • 当服务端（被动关闭方）收到客户端（主动关闭方）的 FIN 报文后，内核会自动回复 ACK，同时连接处于 CLOSE_WAIT 状态，顾名思义，它表示等待应用进程调用 close 函数关闭连接。

      此时，内核是没有权利替代进程关闭连接，必须由进程主动调用 close 函数来触发服务端发送 FIN 报文。

      服务端处于 CLOSE_WAIT 状态时，调用了 close 函数，内核就会发出 FIN 报文，同时连接进入 LAST_ACK 状态，等待客户端返回 ACK 来确认连接关闭。

  • 第四次挥手丢失，服务端收不到ACK，会触发超时重传机制，服务端重传FIN报文。

    • 当客户端收到服务端的第三次挥手的 FIN 报文后，就会回 ACK 报文，也就是第四次挥手，此时客户端连接进入 TIME_WAIT 状态。在 Linux 系统，TIME_WAIT 状态会持续 2MSL 后才会进入关闭状态。

Socket编程

• 针对TCP如何Socket编程

  
  • 服务端和客户端初始化 socket，得到文件描述符；
  • 服务端调用 bind，将 socket 绑定在指定的 IP 地址和端口;
    • 此时的Socket是监听Socket。
  • 服务端调用 listen，进行监听；
  • 服务端调用 accept，等待客户端连接；
  • 客户端调用 connect，向服务端的地址和端口发起连接请求；
  • 服务端 accept 返回用于传输的 socket 的文件描述符；
    • 此时的Socket是已完成连接的Socket，用来传输数据。
  • 客户端调用 write 写入数据；服务端调用 read 读取数据；
  • 客户端断开连接时，会调用 close，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF，待处理完数据后，服务端调用 close，表示连接关闭。

• listen时候参数backlog的意义？

  int listen (int socketfd, int backlog)
  // socketfd 为 socketfd 文件描述符
  // backlog ，参数随着历史版本变化
  

  在早期 Linux 内核 backlog 是 SYN 队列大小，也就是未完成的队列大小。

  在 Linux 内核 2.2 之后，backlog 变成 accept 队列，也就是已完成连接建立的队列长度，所以现在通常认为 backlog 是 accept 队列。

  但是上限值是内核参数 somaxconn 的大小，也就说 accpet 队列长度 = min(backlog, somaxconn)。

• accept发生在三次握手的哪一步？

  

  由图片可见，connect返回成功（单向连接建立成功）是在第二次握手之后，服务端accept成功返回是在三次握手成功之后。

  上图的具体步骤

  • 客户端的协议栈向服务端发送了 SYN 包，并告诉服务端当前发送序列号 client_isn，客户端进入 SYN_SENT 状态；
  • 服务端的协议栈收到这个包之后，和客户端进行 ACK 应答，应答的值为 client_isn+1，表示对 SYN 包 client_isn 的确认，同时服务端也发送一个 SYN 包，告诉客户端当前我的发送序列号为 server_isn，服务端进入 SYN_RCVD 状态；
  • 客户端协议栈收到 ACK 之后，使得应用程序从 connect 调用返回，表示客户端到服务端的单向连接建立成功，客户端的状态为 ESTABLISHED，同时客户端协议栈也会对服务端的 SYN 包进行应答，应答数据为 server_isn+1；
  • ACK 应答包到达服务端后，服务端的 TCP 连接进入 ESTABLISHED 状态，同时服务端协议栈使得 accept 阻塞调用返回，这个时候服务端到客户端的单向连接也建立成功。至此，客户端与服务端两个方向的连接都建立成功。

• 客户端调用close，连接断开的流程是什么？

  

  调用close()，说明没有数据要传输了，服务端收到FIN后调用会read，返回EOF，当服务器端发送FIN，服务端会调用close()，客户端收到后进入2MSL的计时，经过2MSL后，进入CLOSE状态。

• 没有accept，可以建立TCP连接吗？

  accpet 系统调用并不参与 TCP 三次握手过程，它只是负责从 TCP 全连接队列取出一个已经建立连接的 socket，用户层通过 accpet 系统调用拿到了已经建立连接的 socket，就可以对该 socket 进行读写操作了。

  所以就算不执行accept()方法，三次握手照常进行，并且会顺利建立连接。

• 没有listen，可以建立TCP连接吗？

  客户端是可以自己连自己的形成连接（TCP自连接），也可以两个客户端同时向对方发出请求建立连接（TCP同时打开），这两个情况都有个共同点，就是没有服务端参与，也就是没有 listen，就能 TCP 建立连接。