【探索Linux】P.38（传输层 —— TCP协议通信连接管理机制简介 | TCP连接状态转换）

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引言

在前面的文章中，我们已经深入了解了应用层的确认应答机制和超时重传机制，这些机制是确保数据传输可靠性的关键。现在，让我们将视野转向传输层，特别是连接管理机制，它在建立和维护网络通信过程中扮演着至关重要的角色。在本文中，我们将详细探讨连接管理机制的工作原理，以及它是如何确保数据在网络中的高效和安全传输的。通过这一机制，我们可以更好地理解网络通信的稳定性和效率，为构建更加健壮的网络应用打下坚实的基础。

一、TCP协议通信连接管理机制

TCP协议的通信连接管理机制是确保数据可靠传输的关键部分，主要包括以下几个方面：

🚨在正常情况下, TCP要经过三次握手建立连接, 四次挥手断开连接（关于这个话题博主后面单独写了一篇文章）🔴文章链接：正在加急更新中。。。

此外，TCP协议还包括一些确保数据传输可靠性的机制，如序列号、确认应答、超时重传、流量控制、拥塞控制等。序列号确保数据包的顺序和完整性，确认应答机制确保数据被正确接收，超时重传机制保证丢失的数据能够被重新发送，流量控制机制根据接收方的处理能力来调节发送方的数据发送速率，而拥塞控制机制则用于防止网络拥塞的发生。（这些后面博主也会更新相关内容）🔴文章链接：正在加急更新中。。。

二、连接状态转换

TCP状态转换是TCP连接管理中非常重要的一部分，它定义了TCP连接在不同阶段的状态变化。

1. TCP状态转换图

TCP的状态转换可以通过一个状态转换图来表示，其中包括了TCP连接可能经历的所有状态。

🚨注意事项：
⭕较粗的虚线表示服务端的状态变化情况;
⭕较粗的实线表示客户端的状态变化情况；
⭕CLOSED是一个假想的起始点, 不是真实状态;

1. LISTEN：服务器端的初始状态，等待客户端的连接请求。
2. SYN-SENT：客户端尝试连接服务器时，发送了SYN报文后的状态。
3. SYN-RECEIVED：服务器端接收到客户端的SYN报文，并发送了SYN-ACK报文后的状态。
4. ESTABLISHED：TCP连接成功建立，双方可以开始数据传输。
5. FIN-WAIT-1：主动关闭方发送了FIN报文，等待对方确认。
6. FIN-WAIT-2：收到对方的ACK后，等待对方发送FIN报文。
7. CLOSE-WAIT：被动关闭方接收到对方的FIN报文，等待本地应用关闭连接。
8. CLOSING：双方几乎同时发送了FIN报文，都处于关闭连接的状态。
9. LAST-ACK：被动关闭方发送了FIN报文后，等待最终的ACK确认。
10. TIME-WAIT：主动关闭方在发送完FIN报文并收到对方ACK后，进入此状态，等待足够的时间以确保对方接收到最终的ACK。
11. CLOSED：连接完全关闭，双方都没有数据传输。

2. 状态转换过程

• 从LISTEN到SYN-SENT：当客户端尝试连接服务器时，发送SYN报文，状态从LISTEN变为SYN-SENT。
• 从SYN-SENT到SYN-RECEIVED：服务器接收到客户端的SYN报文，发送SYN-ACK响应，客户端状态变为SYN-RECEIVED。
• 从SYN-RECEIVED到ESTABLISHED：客户端接收到服务器的SYN-ACK报文，发送ACK确认，状态变为ESTABLISHED。服务器接收到ACK后，也变为ESTABLISHED状态。
• 从ESTABLISHED到FIN-WAIT-1：当主动关闭方决定关闭连接时，发送FIN报文，状态变为FIN-WAIT-1。
• 从FIN-WAIT-1到FIN-WAIT-2：主动关闭方接收到对方的ACK确认后，状态变为FIN-WAIT-2。
• 从FIN-WAIT-2到CLOSING：如果主动关闭方同时收到对方的FIN报文，状态变为CLOSING。
• 从CLOSE-WAIT到LAST-ACK：被动关闭方接收到FIN报文后，发送FIN报文以关闭其方向的连接，状态变为LAST-ACK。
• 从LAST-ACK到CLOSED：被动关闭方接收到最终的ACK确认后，状态变为CLOSED。
• 从FIN-WAIT-2到TIME-WAIT：主动关闭方在接收到对方的FIN报文并发送ACK后，进入TIME-WAIT状态，等待2MSL时间，以确保被动关闭方接收到最终的ACK。
• 从TIME-WAIT到CLOSED：经过2MSL时间后，主动关闭方确保连接完全关闭，状态变为CLOSED。

3. 理解TIME_WAIT状态

TIME_WAIT

状态是TCP连接管理中的一个重要环节，它出现在主动关闭方在四次挥手断开连接的过程中。

（1）目的和作用

1. 确保可靠的连接终止：TIME_WAIT 状态确保即使在网络延迟或重传的情况下，主动关闭方也能接收到被动关闭方发送的最终确认（ACK）报文。这是为了可靠地完成TCP连接的终止过程。
2. 防止旧连接的数据干扰新连接：TCP连接由四元组（源IP、源端口、目标IP、目标端口）标识。如果一个新的连接使用了与之前关闭的连接相同的四元组，但旧连接的数据包仍在网络中传输，那么这些旧的数据包可能会被误解为新连接的一部分。TIME_WAIT 状态通过等待足够的时间（2MSL，即最大报文段生存时间的两倍），确保所有旧的数据包都从网络中消失，从而避免这种干扰。

（2）状态转换

• 进入TIME_WAIT状态：当主动关闭方发送FIN报文并接收到被动关闭方的ACK后，如果再次接收到被动关闭方的FIN报文，主动关闭方会发送一个ACK，然后进入 TIME_WAIT 状态。
• ⭕等待2MSL时间：在 TIME_WAIT 状态，TCP连接会等待2MSL时间。这个时间足够长，以确保任何迟到的或重复的TCP报文段都能被网络丢弃。
• 退出TIME_WAIT状态：经过2MSL时间后，如果连接没有接收到任何迟到的报文段，连接将从 TIME_WAIT 状态转换到 CLOSED 状态，此时连接完全终止。

（3）特殊情况

• ⭕同时关闭：如果通信双方几乎同时发送FIN报文，那么双方可能都不会进入 TIME_WAIT 状态，而是直接进入 CLOSED 状态。
• ⭕半关闭：在TCP的半关闭状态下，一方已经关闭了发送方向，但另一方仍在发送数据。这种情况下，关闭发送方向的一方不会进入 TIME_WAIT 状态，直到接收方向也被关闭。

（4）影响和优化

• 资源占用：TIME_WAIT 状态会占用系统资源，包括文件描述符和内存。在高并发的服务器环境中，大量的 TIME_WAIT 状态可能会导致资源耗尽。
• 优化措施：为了减少 TIME_WAIT 状态对资源的占用，可以采取一些措施，如：- 使用套接字选项 SO_REUSEADDR，允许应用程序重新使用本地地址和端口。- 在操作系统层面调整 TIME_WAIT 套接字的回收策略。- 对于某些类型的应用程序，可以考虑使用无状态的通信协议，如UDP。

TIME_WAIT

状态是TCP连接管理中的一个关键环节，它确保了连接的可靠终止，并防止了旧连接的数据干扰新连接。然而，它也可能带来资源占用问题，需要适当的优化措施。

4. 理解 CLOSE_WAIT 状态

CLOSE_WAIT

状态是TCP连接管理中的一个重要状态，通常出现在被动关闭方接收到主动关闭方的断开连接请求后。

（1）状态简介

• CLOSE_WAIT：此状态表示连接的被动方（通常是服务器）已经接收到了来自主动方（通常是客户端）的断开连接请求（FIN报文），但是还没有完全关闭自己的发送能力。也就是说，被动方已经准备好关闭连接，但是可能还在处理剩余的数据，或者等待应用程序的进一步指示。

（2）状态转换

• 进入CLOSE_WAIT状态：当被动方接收到主动方发送的FIN报文时，它会发送一个ACK报文作为响应，然后进入 CLOSE_WAIT 状态。
• 从CLOSE_WAIT到LAST_ACK状态：一旦被动方完成数据的发送和接收，并且应用程序决定关闭连接，它会发送自己的FIN报文，然后进入 LAST_ACK 状态。

（3）状态持续时间

• CLOSE_WAIT状态的持续时间取决于被动方应用程序何时决定关闭连接。如果应用程序响应慢或者没有正确处理关闭请求，连接可能会在这个状态停留较长时间。

（4）特殊情况

• 应用程序延迟：如果被动方的应用程序没有及时响应FIN报文，或者由于某些原因没有关闭连接，那么 CLOSE_WAIT 状态可能会持续存在，这可能导致资源（如文件描述符）长时间被占用。

（5）影响和优化

• 资源占用：CLOSE_WAIT 状态会占用系统资源，尤其是在高并发的服务器环境中，大量的 CLOSE_WAIT 状态可能导致资源耗尽。
• 优化措施： - 确保应用程序能够及时响应关闭请求，并正确关闭连接。- 在操作系统层面，可以设置参数以限制 CLOSE_WAIT 状态的数量，或者调整超时时间。

CLOSE_WAIT

状态是TCP连接终止过程中的一个正常阶段，但是它也提示了应用程序需要正确处理连接关闭的信号，以避免不必要的资源占用和潜在的性能问题。

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