计算机网络—TCP连接管理

1. TCP 连接的建立

TCP 建立连接的过程需要在客户端和服务端之间交换 3 个 TCP 报文段，故而也称为 “三次握手”。

假设 A 运行 TCP 客户端程序，B 运行 TCP 服务端程序，则三次握手过程如下所示：

服务端 B 执行的代码大致如下：

struct sockaddr addr;
int listenSock, backlog, clientSock;

// 设置各变量 ...

listenSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(listenSock, &addr, sizoef(addr));
listen(listenSock, backlog);
clientSock = accept(listenSock, NULL, NULL);

客户端 A 执行的代码大致如下：

struct sockaddr serverAddr;
int sock;

// 设置各变量 ...

sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(sock, &serverAddr, sizeof(serverAddr));

• 两者通过调用 socket() 来创建 TCP 套接字，此时两者处于 CLOSED 状态；
• 服务端 B 先运行，在调用 listen() 之后，进入 LISTEN 状态，监听客户端连接请求；
• A 调用 connect() 向 B 发起建立连接的请求：A 向 B 发送一个 SYN 报文段，其中的同步位 SYN=1，同时选择一个初始序号 seq=x；SYN 报文段不能携带数据，但要消耗一个序号，在发送完 SYN 报文段之后，进入 SYN_SENT 状态；
• B 收到 A 的连接请求报文后进入 SYN_RCVD 状态，如果同意建立连接，则调用 accept()，然后向 A 发送确认：确认报文段的 SYN=1、ACK=1，确认号为 ack=x+1，同时为自己选择一个初始序号 seq=y，此报文段也不能携带数据，但要消耗一个序号；
• A 收到 B 的确认后，还要向 B 返回确认，然后进入 ESTABLISHED 状态：确认报文的 ACK=1，确认序号为 ack=y+1，而自己的序号为 seq=x+1，此报文段可以携带数据，如果不携带数据则不消耗序号（下一个报文段的序号仍为 seq=x+1）；
• B 收到 A 的确认后也进入 ESTABLISHED 状态。

为什么 A 最后还要发送一次确认？ 主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了 B：如果 A 发出的第一个连接请求报文段因为网络延迟没有及时到达 B；此时 A 发出第二个连接请求报文段，且成功建立了连接，数据传输完毕后，释放了连接；一段时间后，第一个连接请求报文段终于到达了 B（B 以为是一个新的连接请求），如果 B 不需要 A 的确认就建立了连接，而 A 又不理会 B 的确认，则 B 就白白浪费了资源。

2. TCP 连接的释放

假设 A 主动关闭连接，则连接的释放过程如下：

• A 通过调用 close() 来关闭套接字，向 B 发送连接释放报文段：报文段的 FIN=1，序号 seq=u；然后进入 FIN-WAIT-1 状态，等待 B 的确认；FIN 报文段不能携带数据，但要消耗一个序号；
• B 收到连接释放报文段后立即发出确认：确认报文段的 ACK=1，确认号为 ack=u+1，序号为 seq=v；然后进入 CLOSE-WAIT 状态（等待己方关闭连接）；此时的 TCP 连接处于半关闭状态，即 A 已经没有数据要发送了，但如果 B 发送数据，A 仍要接收，也就是说 B 到 A 这个方向的连接仍未关闭；
• A 收到 B 的确认后进入 FIN-WAIT-2 状态，等待 B 发送连接释放报文段；
• B 发送完数据之后也调用 close() 来关闭连接，向 A 发送连接释放报文段：报文段的 FIN=1，ACK=1，序号为 seq=w，确认号仍为 ack=u+1；然后进入 LAST-ACK 状态，等待 A 的确认（最后一个确认）；
• A 收到 B 的连接释放报文段后，向 B 发出确认：报文段的 ACK=1，序号为 seq=u+1，确认号为 ack=w+1；然后进入 TIME-WAIT 状态，此时连接仍未释放；
• B 收到 A 的确认后释放连接，进入 CLOSED 状态；
• A 在 TIME-WAIT 状态中等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime）的时间之后才进入到 CLOSED 状态，即 B 先于 A 结束 TCP 连接。

为什么 A 需要在 TIME-WAIT 状态中等待 2MSL 的时间？ 原因有如下两点：
（1）为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。如果此 ACK 报文段丢失，B 会因为没收到确认而超时重传 FIN+ACK 报文段，而 A 就能够在这 2MSL 时间内收到重传的 FIN+ACK 报文段，然后 A 重传一次确认，并重新启动 2MSL 计时器。
（2）A 在发送完最后一个 ACK 报文段后，再经过 2MSL 时间，就可以使本连接期间所产生的所有报文段都从网络中消失，这样就可保证新连接中不会出现旧连接的请求报文段。