TCP四次挥手全过程详解

TCP四次挥手全过程

有几点需要澄清：

1.首先，tcp四次挥手只有主动和被动方之分，没有客户端和服务端的概念

2.其次，发送报文段是tcp协议栈的行为，用户态调用close会陷入到内核态

3.再者，图中的情况前提是双方程序正常运行，程序在挥手过程中崩溃的情况后面会讲到

过程详解（时间顺序）

1.A程序调用close关闭连接，陷入到内核态，tcp协议栈发送fin报文段，此时A进入fin_wait1状态，等待B的ack回复

2.B的tcp协议栈接收到fin报文，回复ack，进入close_wait状态，等待B的用户态程序调用close

3.A的tcp协议栈接收到ack，进入半关闭状态（B->A的单向通信）

4.A进入半关闭的同时，进入fin_wait2状态，等待B发送fin报文

分析B程序的状态：A发送fin报文(将标志位fin置1)，B的协议栈接收并判断为fin报文，向该条连接的tcp控制块的接收缓冲区（在内核）写入EOF结束符，B程序调用recv返回0，判断对方断开连接

5.B程序判断A请求断开连接，正常的逻辑是B也调用close断开连接

6.B调用close，陷入到内核态，tcp协议栈发送fin报文，B进入last_ack状态，等待A的ack

7.A收到B的fin报文，结束fin_wait2状态，回复ack，进入time_wait状态

8.B收到A的ack后，断开连接

9.A在time_wait规定的2MSL时间到期时断开连接

状态详解

1.close_wait状态：被动断开方发送ack回复主动方的fin后进入close_wait状态，因为对方已经请求断开连接，本端也要进入断开连接的流程，而断开连接是由用户态程序控制的，在这个状态下，等待程序调用close陷入到内核态，协议栈才能发送本方的fin报文

如果被动方程序一直不调用close，该tcp连接会处于半关闭状态

2.fin_wait1和fin_wait2：1是主动方发送fin后等待ack的状态，2是等待对方发送fin的状态

重点！

3.time_wait状态：主动断开连接方在发送ack回复被动方的fin后进入time_wait状态，这个状态的内容就是等待2MSL的时间，随后关闭连接。

MSL是最大报文生存时间，在传输中超过此时间的报文会失效

等待2MSL时间的原因：

a.在进入time_wait前，有延迟未到达A的报文，最晚会在1MSL后到达，而在A进入time_wait状态时，B已经发送fin，不会在time_wait后有新的来自B的报文，第一个MSL可以确保网络中所有滞留的报文正确A被接收

b.在A向B发送fin后进入time_wait状态，如果该fin丢失或超时导致B没有收到fin，B会重传一个fin报文，告诉A需要重发fin报文。

最坏情况：在B重传fin时，过去了1MSL，A最晚接收到该fin并重发ack的时间是在B重传fin的1MSL后

所以，第二个MSL保证了最坏情况下A可以重发第二个ack给B，以处理B没有收到第一次ack的情况，大部分情况下，A可以处理并重发B的多个重发的fin

time_wait状态通过等待2MSL确保了：

1.所有在网络中滞留的旧报文段在此期间会被自然丢弃。

2.确保重传机制有足够的时间处理任何潜在的重传报文，如FIN和ACK报文。

3.防止旧的报文段干扰未来的连接。

特殊情况

一、A处于time_wait状态时，当B没有接收到第一次的ack时重发fin，A会在2MSL内收到这个重发的fin并重发ack，如果B一直没收到ack怎么办？

Q:如果B没有接收到A重发的ack怎么办？此时A已经关闭连接，B不会再接收到ack，那么B该怎么关闭连接？

A:如果主机B没有收到主机A的ACK，它会继续按照TCP的重传机制定期重传FIN报文，直到重传次数达到设定的上限（通常是TCP实现中的一个参数，RFC 1122规定是最多重传4次，每次重传都会等待一个时间间隔。这个时间间隔通常会指数增长（即所谓的“指数退避”））

A在TIME_WAIT状态下会处理这些重传的FIN报文，并每次都重新发送ACK报文（1-4个，最坏情况下只能重发一次ack）

B在重传次数耗尽之后，如果仍未收到ACK报文，它会认为连接已经关闭并释放资源

二、在四次挥手过程中发生：1.主动断开方的程序崩溃 2.被动断开方的程序崩溃

一言以蔽之：协议栈会关闭该程序所有套接字并发送RST(reset)报文给对方，表示连接非正常关闭，收到RST报文的一方会通过recv和errno获知

前置细节：

1.在关闭TCP连接时，如果操作系统检测到连接正在进行中（比如在ESTABLISHED、FIN_WAIT、CLOSE_WAIT等状态），它会发送RST报文给对方，通知对方连接被异常终止

2.对端在接收到RST报文后，会在后续的网络操作中感知到连接被重置：

• 对端的系统调用错误
  • 对端的应用程序如果尝试在接收到RST报文后继续进行网络操作，会在相应的系统调用中收到错误。
  • 这些系统调用会返回错误，并设置errno。例如，如果对端调用recv，会返回-1，并设置errno为ECONNRESET，表示连接被重置。

详细分析

1. 主动断开方的程序崩溃

情景：

• 主动断开方（主机A）发送了FIN报文，进入FIN_WAIT_2状态，等待被动断开方（主机B）发送FIN报文来完成连接的关闭。
• 主机A的程序在此时崩溃。

结果：

• 主机A的TCP连接关闭：
  • 主机A的程序崩溃导致操作系统关闭该程序相关的所有套接字，包括处于FIN_WAIT_2状态的套接字。
  • 主机A的TCP栈会发送RST（Reset）报文给主机B，表示连接已被非正常关闭。
• 主机B的处理：
  • 主机B收到RST报文后，立即终止连接并释放相关资源。
  • 任何在此连接上的未完成数据传输都将被终止，应用程序将收到错误通知，表明连接被重置。

2. 被动断开方的程序崩溃

情景：

• 被动断开方（主机B）在接收到主机A的FIN报文后，发送ACK并进入CLOSE_WAIT状态，等待应用程序调用close以发送FIN报文。
• 主机B的程序在此时崩溃。

结果：

• 主机B的TCP连接关闭：
  • 主机B的程序崩溃导致操作系统关闭该程序相关的所有套接字，包括处于CLOSE_WAIT状态的套接字。
  • 主机B的TCP栈会发送RST（Reset）报文给主机A，表示连接已被非正常关闭。
• 主机A的处理：
  • 主机A收到RST报文后，立即终止连接并释放相关资源。
  • 主机A的应用程序会收到错误通知，表明连接被重置。

总结：

无论是主动断开方还是被动断开方的程序崩溃，最终结果都是TCP连接被非正常关闭，两者的TCP栈会发送RST报文给对方，通知对方连接已被重置。收到RST报文的一方会立即终止连接并释放相关资源。应用程序会收到相应的错误通知，表明连接被异常终止。

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