TCP状态转换图

上两周无意中讨论起这个话题,发现andy同学对此甚为熟悉,于是叫他给大家分享了一下,在这里做一个沉淀。

这是网络编程的基础,tcp的状态转移图说到底就是一个状态机的不同状态之间的转换关系以及触发这些状态需要的条件,一共存在11个状态,我们来逐一分析:

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1.CLOSED:起始点,在超时或者连接关闭时候进入此状态。

2.LISTEN:svr端在等待连接过来时候的状态,svr端为此要调用socket, bind,listen函数,就能进入此状态。此称为应用程序被动打开(等待客户端来连接)。

3.SYN_SENT:客户端发起连接,发送SYN给服务器端。如果服务器端不能连接,则直接进入CLOSED状态。

4.SYN_RCVD:跟3对应,服务器端接受客户端的SYN请求,服务器端由LISTEN状态进入SYN_RCVD状态。同时服务器端要回应一个ACK,同时发送一个SYN给客户端;另外一种情况,客户端在发起SYN的同时接收到服务器端得SYN请求,客户端就会由SYN_SENT到SYN_RCVD状态。

5.ESTABLISHED:服务器端和客户端在完成3次握手进入状态,说明已经可以开始传输数据了。

以上是建立连接时服务器端和客户端产生的状态转移说明。相对来说比较简单明了,如果你对三次握手比较熟悉,建立连接时的状态转移还是很容易理解。

接下来服务器端和客户端就进行数据传输。。。。,当然,里面也大有学问,就此打住,稍后再表。

下面,我们来看看连接关闭时候的状态转移说明,关闭需要进行4次双方的交互,还包括要处理一些善后工作(TIME_WAIT状态),注意,这里主动关闭的一方或被动关闭的一方不是指特指服务器端或者客户端,是相对于谁先发起关闭请求来说的:

6.FIN_WAIT_1:主动关闭的一方,由状态5进入此状态。具体的动作时发送FIN给对方。

7.FIN_WAIT_2:主动关闭的一方,接收到对方的FIN ACK,进入此状态。由此不能再接收对方的数据。但是能够向对方发送数据。

8.CLOSE_WAIT:接收到FIN以后,被动关闭的一方进入此状态。具体动作时接收到FIN,同时发送ACK。

9.LAST_ACK:被动关闭的一方,发起关闭请求,由状态8进入此状态。具体动作时发送FIN给对方,同时在接收到ACK时进入CLOSED状态。

10.CLOSING:两边同时发起关闭请求时,会由FIN_WAIT_1进入此状态。具体动作是,接收到FIN请求,同时响应一个ACK。

11.TIME_WAIT:最纠结的状态来了。从状态图上可以看出,有3个状态可以转化成它,我们一一来分析:

a.由FIN_WAIT_2进入此状态:在双方不同时发起FIN的情况下,主动关闭的一方在完成自身发起的关闭请求后,接收到被动关闭一方的FIN后进入的状态。

b.由CLOSING状态进入:双方同时发起关闭,都做了发起FIN的请求,同时接收到了FIN并做了ACK的情况下,由CLOSING状态进入。

c.由FIN_WAIT_1状态进入:同时接受到FIN(对方发起),ACK(本身发起的FIN回应),与b的区别在于本身发起的FIN回应的ACK先于对方的FIN请求到达,而b是FIN先到达。这种情况概率最小。

关闭的4次连接最难理解的状态是TIME_WAIT,存在TIME_WAIT的2个理由:

1.可靠地实现TCP全双工连接的终止。

2.允许老的重复分节在网络中消逝。

 

下面是另一个文章。

TCP状态转换图

 

这个图n多人都知道,它对排除和定位网络或系统故障时大有帮助,但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢?那么你就一定要对这张图的每一个状态,及转换的过程有深刻地认识,不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解释一下,以便加强记忆!不过在这之前,先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程,以及关闭连接的四次握手过程。
1、建立连接协议(三次握手)
(1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
 (2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。
 (3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。
2、连接终止协议(四次握手)
由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
 (1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
(2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
(3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
(4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。
CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。
SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。
SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。
FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。
CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。
LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。
最后有2个问题的回答,我自己分析后的结论(不一定保证100%正确)
1、 为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?
这是因为:虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

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