TCP状态转换

白茶加冰
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TCP状态

TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输协议，它定义了一套状态转换过程来管理通信的连接状态。以下是TCP状态转换的常见过程：

  1. CLOSED状态：初始状态，表示没有任何连接存在。

  2. LISTEN状态：服务端进入此状态，等待客户端的连接请求。

  3. SYN_SENT状态：客户端发送SYN（同步）包后进入此状态，表示请求连接。

  4. SYN_RECEIVED状态：服务端接收到客户端的SYN包后进入此状态，并发送回一个SYN和ACK（应答）包。

  5. ESTABLISHED状态：客户端收到服务端的SYN+ACK包后，发送一个ACK包确认连接，进入此状态，表示连接已建立。

  6. FIN_WAIT_1状态：主动关闭连接的一方发送FIN（结束）包后，进入此状态，等待对方确认。

  7. CLOSE_WAIT状态：被动关闭连接的一方接收到FIN包后，进入此状态，表示需要关闭连接。

  8. FIN_WAIT_2状态：主动关闭连接的一方等待对方发送ACK包的确认。

  9. LAST_ACK状态：被动关闭连接的一方发送ACK确认包后，进入此状态，等待对方的最后确认。

  10. TIME_WAIT状态：主动关闭连接的一方接收到对方最后确认后，进入此状态，等待一段时间后释放连接。

  11. CLOSED状态：最后一个ACK包发送完成后，连接正式关闭，回到初始状态。

这些状态转换是TCP连接的常见过程，通过这些状态的变化，TCP协议能够实现可靠的、面向连接的数据传输。

TCP状态转换图

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TCP状态转换的典型流程如下：

  1. 服务端启动并进入LISTEN状态，等待客户端的连接请求。

  2. 客户端发起连接请求，向服务端发送SYN包。

  3. 服务端接收到SYN包后，会发送SYN+ACK包作为应答。

  4. 客户端接收到SYN+ACK包后，发送ACK包来确认连接。此时，连接已经建立，进入ESTABLISHED状态。

  5. 数据传输阶段：在连接建立的基础上，客户端和服务端进行数据的发送和接收。

  6. 关闭连接：当任一方决定关闭连接时，会发送一个FIN包来表示结束。

  7. 接收方收到FIN包后，会发送一个ACK包作为确认。

  8. 发送方接收到ACK包后，进入FIN_WAIT_2状态，等待接收方的最后确认。

  9. 接收方发送完最后确认后，进入LAST_ACK状态，等待发送方的最后确认。

  10. 发送方收到接收方的最后确认后，发送最后一个ACK包。

  11. 接收方收到发送方的最后ACK包后，进入TIME_WAIT状态，等待一段时间（通常是2倍的最大报文段生存时间）。

  12. 完全关闭连接：在经过等待时间后，接收方关闭连接并进入CLOSED状态。

这是TCP连接的基本流程，通过这样的状态转换，双方能够进行可靠的数据传输，并能够正确关闭连接。这种面向连接的机制确保了数据的可靠性和顺序性。

TIME_WAIT状态必要性

TIME_WAIT状态在TCP连接的关闭过程中起着重要的作用，虽然它可能会引起一些人的疑问，但它是必要的。以下是TIME_WAIT状态的几个重要原因：

  1. 确保可靠的连接关闭：在TCP连接关闭后，TIME_WAIT状态允许确保连接正常终止。在此状态下，它允许相应的ACK包在网络中完全传输和处理，以确保双方都已完全关闭连接。

  2. 可靠处理重复数据包：TIME_WAIT状态持续一段时间，可以处理在该状态下可能到达的重复数据包。重复数据包可能在网络中滞留并在一段时间后到达，因此TIME_WAIT状态能够正确处理这些数据包，避免与之前的连接混淆。

  3. 允许端口重用：TIME_WAIT状态确保在相同的本地端口上重新创建连接时不会出现冲突。如果没有TIME_WAIT状态，新连接可能会与以前的连接混淆，导致数据错乱或连接复用问题。通过等待一段时间，确保旧连接彻底关闭后，可以安全地使用相同的端口。

  4. 避免"失序的连接"问题：TIME_WAIT状态还可以防止来自早期连接的数据传输到新的连接中，从而避免了错误的数据传输和连接失败等问题。

尽管TIME_WAIT状态可能会在一段时间内占用一些系统资源并导致可用端口数减少，但它是确保TCP连接正常关闭和维护连接可靠性的重要机制。它帮助避免连接冲突和数据混乱，使TCP协议能够稳定和可靠地工作。

端口复用

setsockopt()函数的原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数说明如下：

  1. sockfd：套接字文件描述符，用于指定需要设置选项的套接字。

  2. level：选项的级别，用于指定选项所属的协议族或套接字类型。常见的选项级别有：

    • SOL_SOCKET：通用套接字选项，适用于所有协议族。
    • IPPROTO_TCP：TCP协议特定选项。
    • IPPROTO_IP：IP协议特定选项等。

  3. optname：选项的名称，用于指定要设置的具体选项。常见的选项包括：

    • SO_REUSEADDR：允许重用本地地址。
    • SO_KEEPALIVE：启用保持活动检测。
    • TCP_NODELAY：禁用 Nagle 算法，提高小数据包的实时性等。

  4. optval：指向存储选项值的缓冲区的指针。

  5. optlen：选项值的长度。

函数返回值为0表示设置选项成功，返回-1表示设置失败，并设置相应的错误码。

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 int opt = 1;
 setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));

close和shutdown

shutdown()和close()都是用于处理网络套接字（socket）的函数，它们在TCP连接的关闭过程中扮演不同的角色。

  1. shutdown(): shutdown()函数用于关闭套接字的读取或写入功能或两者同时关闭。它提供了对TCP连接进行精细控制的能力。shutdown()函数有两个参数：套接字描述符和关闭的方向。关闭方向可以是以下三个值之一：

    • SHUT_RD：关闭套接字的读取功能，也就是禁止从套接字中读取数据。
    • SHUT_WR：关闭套接字的写入功能，也就是禁止向套接字写入数据。
    • SHUT_RDWR：同时关闭套接字的读取和写入功能。 例如，shutdown(sockfd, SHUT_WR)会关闭套接字的写入功能，表示不再向套接字发送数据。

  2. close(): close()函数用于完全关闭套接字连接。当调用close()时，套接字会被立即关闭并释放相关资源。已经关闭的套接字不能再进行读取或写入操作。close()函数只需要一个参数，即套接字描述符，例如close(sockfd)就会关闭套接字。

在关闭TCP连接过程中，通常会先使用shutdown()函数进行半关闭操作，然后再调用close()函数完全关闭连接。半关闭的作用是允许一方继续接收对方发送的数据，同时暗示双方已经完成他们的任务，准备关闭连接。完全关闭连接后，网络套接字会被彻底释放。

需要注意的是，关闭套接字后，套接字描述符在当前进程中将不再可用，无法再使用对应的套接字进行网络通信。如果需要继续进行网络通信，必须重新创建一个新的套接字。

总结来说，shutdown()函数用于关闭套接字的读取或写入功能，提供对TCP连接的精细控制；而close()函数用于完全关闭套接字连接，释放相关资源。在TCP连接的关闭过程中，通常会先进行半关闭操作，然后再完全关闭连接。

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