TCP连接释放与TCP状态图
TCP 是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一条连接。本节将详细讨论一个TCP 连接是如何建立的以及通信结束后是如何终止的。
建立一个 TCP 连接
TCP使用三次握手 （ three-way handshake ）协议来建立连接，图 3-10 描述了三次握手的报文序列。这三次握手为：
∙请求端（通常称为客户）发送一个 SYN 报文段（ SYN 为 1 ）指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始顺序号（ ISN ）。
∙服务器发回包含服务器的初始顺序号的 SYN 报文段（ SYN 为 1 ）作为应答。同时，将确认号设置为客户的 ISN 加 1 以对客户的 SYN 报文段进行确认（ ACK 也为 1 ）。
∙客户必须将确认号设置为服务器的 ISN 加 1 以对服务器的 SYN 报文段进行确认（ ACK 为
1 ），该报文通知目的主机双方已完成连接建立。
发送第一个 SYN 的一端将执行主动打开（ active open ），接收这个 SYN 并发回下一个 SYN 的另一端执行被动打开（ passive open ）。另外， TCP 的握手协议被精心设计为可以处理同时打开（ simultaneous open ），对于同时打开它仅建立一条连接而不是两条连接。因此，连接可以由任一方或双方发起，一旦连接建立，数据就可以双向对等地流动，而没有所谓的主从关系。
三次握手协议是连接两端正确同步的充要条件。因为 TCP 建立在不可靠的分组传输服务之上，报文可能丢失、延迟、重复和乱序，因此协议必须使用超时和重传机制。如果重传的连接请求和原先的连接请求在连接正在建立时到达，或者当一个连接已经建立、使用和结束之后，某个延迟的连接请求才到达，就会出现问题。采用三次握手协议（加上这样的规则：在连接建立之后 TCP 就不再理睬又一次的连接
请求）就可以解决这些问题。
三次握手协议可以完成两个重要功能：它确保连接双方做好传输准备，并使双方统一了初始顺序号。初始顺序号是在握手期间传输顺序号并获得确认：当一端为建立连接而发送它的 SYN 时，它为连接选择一个初始顺序号；每个报文段都包括了顺序号字段和确认号字段，这使得两台机器仅仅使用三个握手报文就能协商好各自的数据流的顺序号。一般来说， ISN 随时间而变化，因此每个连接都将具有不同的 ISN 。
关闭一个 TCP 连接
TCP 连接建立起来后，就可以在两个方向传送数据流。当 TCP 的应用进程再没有数据需要发送时，就发关闭命令。 TCP 通过发送控制位 FIN=1 的数据片来关闭本方数据流，但还可以继续接收数据，直到对方关闭那个方向的数据流，连接就关闭。
TCP 协议使用修改的三次握手协议来关闭连接， 如图 3-11 所示，即终止一个连接要经过 4 次握手。这是因为 TCP 的半关闭（ half-close ）造成的。由于一个 TCP 连接是全双工（即数据在两个方向上能同时传递），因此每个方向必须单独地进行关闭。关闭的原则就是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个 FIN 来终止这个方向连接。当一端收到一个 FIN ，它必须通知应用层另一端已经终止了那个方向的数据传送。发送 FIN 通常是应用层进行关闭的结果。
从一方的 TCP 来说，连接的关闭有三种情况：
? 本方启动关闭
收到本方应用进程的关闭命令后， TCP 在发送完尚未处理的报文段后，发 FIN ＝ 1 的报文段给对方，且 TCP 不再受理本方应用进程的数据发送。在 FIN 以前发送的数据字节，包括 FIN ，都需要对方确认，否则要重传。注意 FIN 也占一个顺序号。一旦收到对方对 FIN 的确认以及对方的 FIN 报文段，本
方 TCP 就对该 FIN 进行确认，在等待一段时间，然后关闭连接。等待是为了防止本方的确认报文丢失，避免对方的重传报文干扰新的连接。
? 对方启动关闭
当 TCP 收到对方发来的 FIN 报文时，发 ACK 确认此 FIN 报文，并通知应用进程连接正在关闭。应用进程将以关闭命令响 应。 TCP 在发送完尚未处理的报文段后，发一个 FIN 报文给对方 TCP ，然后等待对方对 FIN 的确认，收到确认后关闭连接。若对方的确认未及时到达，在等待一段时间后也关闭连接。
? 双方同时启动关闭
连接双方的应用进程同时发关闭命令，则双方 TCP 在发送完尚未处理的报文段后，发送 FIN 报文。各方 TCP 在 FIN 前所发报文都得到确认后，发 ACK 确认它收到的 FIN 。各方在收到对方对 FIN 的确认后，同样等待一段时间再关闭连接。这称之为同时关闭（ simultaneous close ）。
TCP 状态机
TCP 协议的操作可以使用一个具有 11 种状态的有限状态机（ Finite State Machine ）来表示，图 3-12 描述了 TCP 的有限状态机，图中的圆角矩形表示状态，箭头表示状态之间的转换，各状态的描述如表 3-
2 所示。图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器端建立连接的正常过程：客户端的状态变迁用粗实线，服务器端的状态变迁用粗虚线。细线用于不常见的序列，如复位、同时打开、同时关闭等。图中的每条状态变换线上均标有“事件／动作”：事件是指用户执行了系统调用（ CONNECT 、 LISTEN 、 SEND 或 CLOSE ）、收到一个报文段（ SYN 、 FIN 、 ACK 或 RST ）、或者是出现了超过两倍最大的分组生命期的情况；动作是指发送一个报文段（ SYN 、 FIN 或 ACK ）或什么也没有（用“－”表示）。
图 3-12 TCP 有限状态机。粗实线表示客户的正常路径；
粗虚线表示服务器的正常路径；细线表示不常见的事件。
每个连接均开始于 CLOSED 状态。当一方执行了被动的连接原语（ LISTEN ）或主动的连接原语（ CONNECT ）时，它便会脱离 CLOSED 状态。如果此时另一方执行了相对应的连接原语，连接便建立了，并且状态变为 ESTABLISHED 。任何一方均可以首先请求释放连接，当连接被释放后，状态又回到了 CLOSED 。
表 3-2 TCP 状态表
状 态 描 述
CLOSED 关闭状态，没有连接活动或正在进行
LISTEN 监听状态，服务器正在等待连接进入
SYN RCVD 收到一个连接请求，尚未确认
SYN SENT 已经发出连接请求，等待确认
ESTABLISHED 连接建立，正常数据传输状态
tcp三次握手图解FIN WAIT 1 （主动关闭）已经发送关闭请求，等待确认
FIN WAIT 2 （主动关闭）收到对方关闭确认，等待对方关闭请求
TIMED WAIT 完成双向关闭，等待所有分组死掉
CLOSING 双方同时尝试关闭，等待对方确认
CLOSE WAIT （被动关闭）收到对方关闭请求，已经确认
LAST ACK （被动关闭）等待最后一个关闭确认，并等待所有分组死掉
1. 正常状态转换
我们用图 3-13 来显示在正常的 TCP 连接的建立与终止过程中，客户与服务器所经历的不同状态。读者可以对照图 3-12 来阅读，使用图 3-12 的状态图来跟踪图 3-13 的状态变化过程，以便明白每个状态的变化：
∙服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态（ LISTEN ），等待客户端连接；
∙当客户端的一个应用程序发出 CONNECT 命令后，本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为 SYN SENT 状态，然后给服务器发送一个 SYN 报文段；
∙服务器收到一个 SYN 报文段，其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号，进入 SYN RCVD 状态；
∙客户端收到 SYN + ACK 报文段，其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段，并转换为 ESTABLISHED 状态；
∙服务器端收到确认的 ACK 报文段，完成了三次握手，于是也进入 ESTABLISHED 状态。

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