TCP状态转换详解

1.什么是TCP的状态转换

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。在 TCP 连接的生命周期中，连接的状态会随着不同阶段的通信而发生变化，这些变化被称为状态转换。

在TCP进行三次握手，或者四次挥手的过程中，通信的服务器和客户端内部会发送状态上的变化，发生的状态变化在程序中是看不到的，这个状态的变化也不需要程序猿去维护，但是在某些情况下进行程序的调试会去查看相关的状态信息，先来看三次握手过程中的状态转换。

2.三次握手的状态转换

在第一次握手之前，服务器端必须先启动，并且已经开始了监听- 服务器端先调用了 listen() 函数, 开始监听- 服务器启动监听前后的状态变化: 没有状态 ---> LISTEN

当服务器监听启动之后，由客户端发起的三次握手过程中状态转换如下：

第一次握手

  • 客户端：

    • 操作： 调用 connect() 函数发送 SYN 包（同步包）。
    • 状态变化： CLOSED -> SYN_SENT

  • 服务器：

    • 操作： 监听状态下收到客户端的 SYN 包。
    • 状态变化： LISTEN -> SYN_RCVD
第二次握手

  • 服务器：

    • 操作： 向客户端发送 SYN-ACK 包（同步确认包），确认收到客户端的 SYN 包，并请求建立连接。
    • 状态变化： SYN_RCVD（保持不变）

  • 客户端：

    • 操作： 收到服务器的 SYN-ACK 包，确认连接请求。
    • 状态变化： SYN_SENT -> ESTABLISHED
第三次握手

  • 客户端：

    • 操作： 向服务器发送 ACK 包（确认包），确认服务器的 SYN-ACK 包。
    • 状态变化： ESTABLISHED（保持不变）

  • 服务器：

    • 操作： 收到客户端的 ACK 包，确认建立连接。
    • 状态变化： SYN_RCVD -> ESTABLISHED

三次握手完成之后，客户端和服务器都变成了同一种状态，这种状态叫：ESTABLISHED，表示双向连接已经建立， 可以通信了。在通过过程中，正常的通信状态就是 ESTABLISHED。

根据上面图片和描述，可以更直观地看到 TCP 三次握手过程中客户端和服务器的状态转换。通过三次握手，客户端和服务器从初始状态逐步进入 ESTABLISHED 状态，完成连接建立。

  • 客户端：

    • CLOSED -> SYN_SENT -> ESTABLISHED

  • 服务器：

    • LISTEN -> SYN_RCVD -> ESTABLISHED

3.四次挥手的状态转换

关于四次挥手对于客户端和服务器哪段先断开连接没有要求，根据实际情况处理即可。下面根据上图中的实例描述一下四次挥手过程中TCP的状态转换（上图中主动断开连接的一方是客户端）：

第一次挥手

  • 客户端：

    • 操作： 调用 close() 函数，将 TCP 协议中的 FIN 设置为 1，请求与服务器断开连接。
    • 状态变化： ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1

  • 服务器：

    • 操作： 收到客户端的 FIN 包，表示客户端请求断开连接。
    • 状态变化： ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT
第二次挥手

  • 服务器：

    • 操作： 回复 ACK 包，同意断开连接的请求。
    • 状态变化： CLOSE_WAIT（保持不变）

  • 客户端：

    • 操作： 收到服务器的 ACK 包，确认服务器已同意断开连接。
    • 状态变化： FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2
第三次挥手

  • 服务器：

    • 操作： 调用 close() 函数，发送 FIN 包给客户端，请求断开连接。
    • 状态变化： CLOSE_WAIT -> LAST_ACK

  • 客户端：

    • 操作： 收到服务器的 FIN 包，确认断开连接请求。
    • 状态变化： FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT
第四次挥手

  • 客户端：

    • 操作： 回复 ACK 包给服务器，确认断开连接。
    • 状态变化： TIME_WAIT -> CLOSED

  • 服务器：

    • 操作： 收到客户端的 ACK 包，确认客户端已同意断开连接。
    • 状态变化： LAST_ACK -> CLOSED

根据上面图片和描述，可以更直观地看到 TCP 四次挥手过程中客户端和服务器的状态转换。通过四次挥手，客户端和服务器从 ESTABLISHED 状态逐步进入 CLOSED 状态，完成连接断开。

  • 客户端：

    • ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED

  • 服务器：

    • ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED

4.TCP状态转换图

在下图中同样是描述TCP通信过程中的客户端和服务器端的状态转，图片中主要关注两条主线：红色实线（客户端状态）和绿色虚线（服务器端状态）。黑色实线表示的是一些特殊情况下的状态切换，在此不做分析。因为三次握手是由客户端发起的，据此分析红色的实线表示的客户端的状态，绿色虚线表示的是服务器端的状态。

客户端状态转换

  1. 第一次握手：

    • 操作： 发送 SYN 包。
    • 状态变化： CLOSED -> SYN_SENT

  2. 第二次握手：

    • 操作： 收到服务器回复的 SYN-ACK 包。
    • 状态变化： SYN_SENT -> ESTABLISHED

  3. 主动断开连接，第一次挥手：

    • 操作： 发送 FIN 包，请求断开连接。
    • 状态变化： ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1

  4. 第二次挥手：

    • 操作： 收到服务器的 ACK 包，确认服务器同意断开连接。
    • 状态变化： FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2

  5. 第三次挥手：

    • 操作： 收到服务器的 FIN 包，确认断开连接请求。
    • 状态变化： FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT

  6. 第四次挥手：

    • 操作： 回复 ACK 包给服务器，确认断开连接。等待 2 倍报文时长后，连接关闭。
    • 状态变化： TIME_WAIT -> CLOSED

服务器端状态转换

  1. 启动监听：

    • 操作： 服务器启动监听，等待客户端连接。
    • 状态变化： CLOSED -> LISTEN

  2. 第一次握手：

    • 操作： 收到客户端的 SYN 包。
    • 状态变化： LISTEN -> SYN_RCVD

  3. 第三次握手：

    • 操作： 收到客户端的 ACK 包，确认连接建立。
    • 状态变化： SYN_RCVD -> ESTABLISHED

  4. 收到断开连接请求，第一次挥手：

    • 操作： 收到客户端的 FIN 包，请求断开连接。
    • 状态变化： ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT

  5. 第三次挥手：

    • 操作： 发送 FIN 包，请求与客户端断开连接。
    • 状态变化： CLOSE_WAIT -> LAST_ACK

  6. 第四次挥手：

    • 操作： 收到客户端的 ACK 包，确认断开连接。
    • 状态变化： LAST_ACK -> CLOSED

TIME_WAIT 状态的作用

在 TCP 通信中，主动断开连接的一方在收到被动断开连接一方发送的 FIN 包和最终的 ACK 包（即第三次挥手完成）后，必须处于 TIME_WAIT 状态并持续 2 倍 MSL（Maximum Segment Lifetime）时间。这么做的目的是：

  1. 确保 ACK 包能被正确接收：

    • 如果最终的 ACK 包丢失，服务器会重传 FIN 包，客户端在 TIME_WAIT 状态期间可以重新发送 ACK 包。

  2. 防止旧连接影响新连接：

    • TIME_WAIT 状态确保旧连接在消失前，有足够的时间让延迟的报文在网络中完全消失，避免旧连接的数据影响新连接。

5.Linux查看网络状态相关命令

$ netstat 参数
$ netstat -apn	| grep 关键字
参数:
-a (all)显示所有选项
-p 显示建立相关链接的程序名
-n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字。
-l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
-t (tcp)仅显示tcp相关选项
-u (udp)仅显示udp相关选项

6.半关闭

TCP连接只有一方发送了FIN，另一方没有发出FIN包，仍然可以在一个方向上正常发送数据，这中状态可以称之为半关闭或者半连接。当四次挥手完成两次的时候，就相当于实现了半关闭，在程序中只需要在某一端直接调用 close() 函数即可。套接字通信默认是双工的，也就是双向通信，如果进行了半关闭就变成了单工，数据只能单向流动了。比如下面的这个例子：

服务器端:

调用了close() 函数，因此不能发数据，只能接收数据
关闭了服务器端的写操作，现在只能进行读操作 –> 变成了读端
客户端:

没有调用close()，客户端和服务器的连接还保持着

客户端可以给服务器发送数据，也可以接收服务器发送的数据 （但是，服务器已经丧失了发送数据的能力），因此客户端也只能发送数据，接收不到数据 –> 变成了写端

半关闭的工作机制

TCP 提供了一种半关闭机制，通过调用 shutdown() 函数来实现。shutdown() 函数允许应用程序分别关闭一个 TCP 连接的读或写操作，而不是完全关闭连接。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
sockfd：套接字描述符。
how：SHUT_RD：关闭读取功能。SHUT_WR：关闭写入功能。SHUT_RDWR：同时关闭读取和写入功能。

半关闭的示例

以下是一个示例，展示了客户端如何实现半关闭，通知服务器它已经完成了数据发送，但仍然可以接收来自服务器的数据。

//服务端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt = 1;int addrlen = sizeof(address);char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 创建套接字if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置端口复用if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {perror("setsockopt");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 监听套接字if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 接受连接if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {perror("accept");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 接收来自客户端的数据read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);printf("Server received: %s\n", buffer);// 发送数据给客户端const char *response = "Hello from server";send(new_socket, response, strlen(response), 0);// 继续接收来自客户端的数据memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);printf("Server received: %s\n", buffer);close(new_socket);close(server_fd);return 0;
}
//客户端
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024int main() {int sock = 0;struct sockaddr_in serv_addr;char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 创建套接字if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {printf("\n Socket creation error \n");return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(PORT);// 将地址转换为二进制形式if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");return -1;}// 连接服务器if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {printf("\nConnection Failed \n");return -1;}// 发送数据给服务器const char *message = "Hello from client";send(sock, message, strlen(message), 0);// 半关闭，关闭写入功能，但仍保持读取功能shutdown(sock, SHUT_WR);// 接收来自服务器的响应read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);printf("Client received: %s\n", buffer);// 尝试再发送数据（会失败，因为写入功能已关闭）const char *another_message = "This will not be sent";ssize_t bytes_sent = send(sock, another_message, strlen(another_message), 0);if (bytes_sent == -1) {perror("send after shutdown");}close(sock);return 0;
}

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