TCP状态转换

1. TCP状态转换

在TCP进行三次握手，或者四次挥手的过程中，通信的服务器和客户端内部会发送状态上的变化，发生的状态变化在程序中是看不到的，这个状态的变化也不需要程序猿去维护，但是在某些情况下进行程序的调试会去查看相关的状态信息，先来看三次握手过程中的状态转换。

1.1 三次握手

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在第一次握手之前，服务器端必须先启动，并且已经开始了监听
  - 服务器端先调用了 listen() 函数, 开始监听
  - 服务器启动监听前后的状态变化: 没有状态 ---> LISTEN

当服务器监听启动之后，由客户端发起的三次握手过程中状态转换如下：

第一次握手:

  • 客户端：调用了connect() 函数，状态变化：没有状态 -> SYN_SENT
  • 服务器：收到连接请求SYN，状态变化：LISTEN -> SYN_RCVD

第二次握手:

  • 服务器：给客户端回复ACK，并且请求和客户端建立连接，状态无变化，依然是 SYN_RCVD
  • 客户端：接收数据，收到了ACK，状态变化：SYN_SENT -> ESTABLISHED

第三次握手:

  • 客户端：给服务器回复ACK，同意建立连接，状态没有变化，还是 ESTABLISHED
  • 服务器：收到了ACK，状态变化：SYN_RCVD -> ESTABLISHED

三次握手完成之后，客户端和服务器都变成了同一种状态，这种状态叫：ESTABLISHED，表示双向连接已经建立， 可以通信了。在通过过程中，正常的通信状态就是 ESTABLISHED。

1.2 四次挥手

关于四次挥手对于客户端和服务器哪段先断开连接没有要求，根据实际情况处理即可。下面根据上图中的实例描述一下四次挥手过程中TCP的状态转换（上图中主动断开连接的一方是客户端）：

第一次挥手:

  • 客户端：调用close() 函数，将tcp协议中的FIN设置为1，请求和服务器断开连接，

    状态变化:ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1

  • 服务器：收到断开连接请求，状态变化: ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT

第二次挥手:

  • 服务器：回复ACK，同意断开连接的请求，状态没有变化，还是 CLOSE_WAIT
  • 客户端：收到ACK，状态变化：FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2

第三次挥手:

  • 服务器端：调用close() 函数，发送FIN给客户端，请求断开连接，状态变化：CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
  • 客户端：收到FIN，状态变化：FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT

第四次挥手:

  • 客户端：回复ACK给服务器，状态是没有变化的，状态变化：TIME_WAIT -> 没有状态
  • 服务器端：收到ACK，双向连接断开，状态变化：LAST_ACK -> 无状态(没有了)

1.3 状态转换

在下图中同样是描述TCP通信过程中的客户端和服务器端的状态转，看起来比较乱，其实只需要看两条主线：红色实线和绿色虚线。关于黑色的实线对应的是一些特殊情况下的状态切换，在此不做任何分析。

因为三次握手是由客户端发起的，据此分析红色的实线表示的客户端的状态，绿色虚线表示的是服务器端的状态。

  • 客户端：
    • 第一次握手：发送SYN，没有状态 -> SYN_SENT
    • 第二次握手：收到回复的ACK，SYN_SENT -> ESTABLISHED
    • 主动断开连接，第一次挥手发送FIN，状态ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1
    • 第二次挥手，收到ACK，状态FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2
    • 第三次挥手，收到FIN，状态FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT
    • 第四次挥手，回复ACK，等待2倍报文时长之后，状态TIME_WAIT -> 没有状态
  • 服务器端：
    • 启动监听，没有状态 -> LISTEN
    • 第一次握手，收到SYN，状态LISTEN -> SYN_RCVD
    • 第三次握手，收到ACK，状态SYN_RCVD -> ESTABLISHED
    • 收到断开连接请求，第一次挥手状态 ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT
    • 第三次挥手，发送FIN请求和客户端断开连接，状态CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
    • 第四次挥手，收到ACK，状态LAST_ACK -> 无状态(没有了)

在TCP通信的时候，当主动断开连接的一方接收到被动断开连接的一方发送的FIN和最终的ACK后（第三次挥手完成），连接的主动关闭方必须处于TIME_WAIT状态并持续2MSL（Maximum Segment Lifetime）时间，这样就能够让TCP连接的主动关闭方在它发送的ACK丢失的情况下重新发送最终的ACK。

一倍报文寿命(MSL)大概时长为30s，因此两倍报文寿命一般在1分钟作用。

主动关闭方重新发送的最终ACK，是因为被动关闭方重传了它的FIN。事实上，被动关闭方总是重传FIN直到它收到一个最终的ACK。

1.4 相关命令

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$ netstat 参数
$ netstat -apn	| grep 关键字
  • 参数:
    • -a (all)显示所有选项
    • -p 显示建立相关链接的程序名
    • -n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字。
    • -l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
    • -t (tcp)仅显示tcp相关选项
    • -u (udp)仅显示udp相关选项

2. 半关闭

TCP连接只有一方发送了FIN，另一方没有发出FIN包，仍然可以在一个方向上正常发送数据，这中状态可以称之为半关闭或者半连接。当四次挥手完成两次的时候，就相当于实现了半关闭，在程序中只需要在某一端直接调用 close() 函数即可。套接字通信默认是双工的，也就是双向通信，如果进行了半关闭就变成了单工，数据只能单向流动了。比如下面的这个例子：

  • 服务器端:

    • 调用了close() 函数，因此不能发数据，只能接收数据
    • 关闭了服务器端的写操作，现在只能进行读操作 –> 变成了读端

  • 客户端:

    • 没有调用close()，客户端和服务器的连接还保持着

    • 客户端可以给服务器发送数据，也可以接收服务器发送的数据 （但是，服务器已经丧失了发送数据的能力），因此客户端也只能发送数据，接收不到数据 –> 变成了写端

按照上述流程做了半关闭之后，从双工变成了单工，数据单向流动的方向: 客户端 —–> 服务器端。

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// 专门处理半关闭的函数
#include <sys/socket.h>
// 可以有选择的关闭读/写, close()函数只能关闭写操作
int shutdown(int sockfd, int how);
  • 参数:
    • sockfd: 要操作的文件描述符
    • how:
      • SHUT_RD: 关闭文件描述符对应的读操作
      • SHUT_WR: 关闭文件描述符对应的写操作
      • SHUT_RDWR: 关闭文件描述符对应的读写操作
  • 返回值：函数调用成功返回0，失败返回-1

3. 端口复用

在网络通信中，一个端口只能被一个进程使用，不能多个进程共用同一个端口。我们在进行套接字通信的时候，如果按顺序执行如下操作：先启动服务器程序，再启动客户端程序，然后关闭服务器进程，再退出客户端进程，最后再启动服务器进程，就会出如下的错误提示信息：bind error: Address already in use

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# 第二次启动服务器进程
$ ./server 
bind error: Address already in use

$ netstat -apn|grep 9999
(Not all processes could be identified, non-owned process info
 will not be shown, you would have to be root to see it all.)
tcp        0      0 127.0.0.1:9999          127.0.0.1:50178         TIME_WAIT   -

通过netstat查看TCP状态，发现上一个服务器进程其实还没有真正退出。因为服务器进程是主动断开连接的进程, 最后状态变成了 TIME_WAIT状态，这个进程会等待2msl(大约1分钟)才会退出，如果该进程不退出，其绑定的端口就不会释放，再次启动新的进程还是使用这个未释放的端口，端口被重复使用，就是提示bind error: Address already in use这个错误信息。

如果想要解决上述问题，就必须要设置端口复用，使用的函数原型如下：

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// 这个函数是一个多功能函数, 可以设置套接字选项
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
  • 参数:
    • sockfd：用于监听的文件描述符
    • level：设置端口复用需要使用 SOL_SOCKET 宏
    • optname：要设置什么属性（下边的两个宏都可以设置端口复用）
      • SO_REUSEADDR
      • SO_REUSEPORT
    • optval：设置是去除端口复用属性还是设置端口复用属性，实际应该使用 int 型变量
      • 0：不设置
      • 1：设置
    • optlen：optval指针指向的内存大小 sizeof(int)

这个函数应该添加到服务器端代码中，具体应该放到什么位置呢？答：在绑定之前设置端口复用

  1. 创建监听的套接字
  2. 设置端口复用
  3. 绑定
  4. 设置监听
  5. 等待并接受客户端连接
  6. 通信
  7. 断开连接

参考代码如下:

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#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>

// server
int main(int argc, const char* argv[])
{
    // 创建监听的套接字
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(lfd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    // 绑定
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(9999);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本地多有的ＩＰ
    // 127.0.0.1
    // inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    
    // 设置端口复用
    int opt = 1;
    setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 绑定端口
    int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    // 监听
    ret = listen(lfd, 64);
    if(ret == -1)
    {
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    fd_set reads, tmp;
    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(lfd, &reads);

    int maxfd = lfd;

    while(1)
    {
        tmp = reads;
        int ret = select(maxfd+1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if(ret == -1)
        {
            perror("select");
            exit(0);
        }

        if(FD_ISSET(lfd, &tmp))
        {
            int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
            FD_SET(cfd, &reads);
            maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
        }
        for(int i=lfd+1; i<=maxfd; ++i)
        {
            if(FD_ISSET(i, &tmp))
            {
                char buf[1024];
                int len = read(i, buf, sizeof(buf));
                if(len > 0)
                {
                    printf("client say: %s\n", buf);
                    write(i, buf, len);
                }
                else if(len == 0)
                {
                    printf("客户端断开了连接\n");
                    FD_CLR(i, &reads);
                    close(i);
                }
                else
                {
                    perror("read");
                    exit(0);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}