tcp 状态机

bobz965
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A connection progresses through a series of states during its lifetime.

The states are:

  • LISTEN,
  • SYN-SENT,
  • SYN-RECEIVED,
  • ESTABLISHED,
  • FIN-WAIT-1,
  • FIN-WAIT-2,
  • CLOSE-WAIT,
  • CLOSING,
  • LAST-ACK,
  • TIME-WAIT,
  • CLOSED.

CLOSED is fictional because it represents the state when there is no TCB, and therefore, no connection.

Briefly the meanings of the states are:

  • LISTEN: represents waiting for a connection request from any remote TCP and port.

  • SYN-SENT: represents waiting for a matching connection request after having sent a connection request.

  • SYN-RECEIVED: represents waiting for a confirming connection request acknowledgment after having both received and sent a connection request.

  • ESTABLISHED: represents an open connection, data received can be delivered to the user. The normal state for the data transfer phase of the connection.

  • FIN-WAIT-1: represents waiting for a connection termination request from the remote TCP, or an acknowledgment of the connection termination request previously sent.

  • FIN-WAIT-2: represents waiting for a connection termination request from the remote TCP.

  • CLOSE-WAIT: represents waiting for a connection termination request from the local user(app).

  • CLOSING: represents waiting for a connection termination request acknowledgment from the remote TCP.

  • LAST-ACK: represents waiting for an acknowledgment of the connection termination request previously sent to the remote TCP (which includes an acknowledgment of its connection termination request).

  • TIME-WAIT: represents waiting for enough time to pass to be sure the remote TCP received the acknowledgment of its connection termination request.

  • CLOSED: represents no connection state at all.

A TCP connection progresses from one state to another in response to events.

The events are the user calls, OPEN, SEND, RECEIVE, CLOSE, ABORT, and STATUS; the incoming segments, particularly those containing the SYN, ACK, RST and FIN flags; and timeouts.

内核 TCP 参数与 TCP 状态机

要分析内核中 TCP 相关参数的设计，需先锚定文档中 TCP 状态机的核心状态与转移逻辑（如连接建立的 LISTEN/SYN-SENT/SYN-RECEIVED、数据传输的 ESTABLISHED、连接关闭的 FIN-WAIT/TIME-WAIT 等），再对应参数的作用场景 —— 内核参数本质是对 “状态维持、状态转移触发条件、资源占用” 的精细化控制，最终平衡 TCP 连接的可用性、性能与资源开销。

一、核心关联逻辑：TCP 状态机与内核参数的关系

文档明确 TCP 状态转移由三类事件驱动：

  1. 用户层操作（如OPEN主动 / 被动打开、CLOSE关闭）；

  2. 网络报文触发（如 SYN/ACK/FIN/RST 段）；

  3. 超时事件（如连接建立超时、TIME-WAIT 超时）。

内核 TCP 参数正是针对这三类事件，对 “状态存续时长、重试次数、队列容量、异常处理策略” 进行配置，避免状态异常堆积（如 TIME-WAIT 连接过多）、连接失败重试浪费资源、服务被洪水攻击打垮等问题。

二、分阶段解析内核 TCP 参数（对应文档状态）

阶段 1：连接建立阶段（LISTEN → SYN-SENT → SYN-RECEIVED → ESTABLISHED）

此阶段核心是 “快速建立有效连接，抵御无效请求（如 SYN 洪水），避免资源空置”，对应文档中LISTEN（被动等待请求）、SYN-SENT（主动发 SYN 后等待）、SYN-RECEIVED（收 SYN 后发 SYN+ACK 等待 ACK） 三个状态。

内核参数对应文档状态 / 转移含义与设计目的
tcp_max_syn_backlogLISTEN → SYN-RECEIVED（SYN 队列）定义LISTEN 状态下，服务器能暂存的 SYN 请求队列长度（即未完成三次握手的连接数）。目的：防止 SYN 洪水攻击导致队列溢出，避免合法请求被丢弃，平衡 “服务容量” 与 “内存占用”。
tcp_syn_retriesSYN-SENT（主动打开后等待）控制客户端在 SYN-SENT 状态下，重发 SYN 报文的次数（默认 5 次，总超时约 3 分钟）。目的：避免客户端因网络波动一直等待连接（无限重试浪费 CPU / 端口），同时保证弱网环境下的连接成功率。
tcp_synack_retriesSYN-RECEIVED（发 SYN+ACK 后等待）控制服务器在 SYN-RECEIVED 状态下，重发 SYN+ACK 报文的次数（默认 5 次）。目的：对应文档中 “SYN-RECEIVED 等待确认 ACK” 的逻辑，防止服务器因客户端未收到 SYN+ACK 而无限重试，释放无效的 SYN-RECEIVED 状态资源。
tcp_syncookiesLISTEN → SYN-RECEIVED（SYN 队列满时）开启后，当 SYN 队列满，服务器不丢弃 SYN 请求，而是生成 “Sync Cookie”（含连接信息的哈希值）放入 SYN+ACK 报文。目的：抵御 SYN 洪水攻击（攻击者无法伪造 Cookie 响应），保证 LISTEN 状态的服务可用性，避免 SYN-RECEIVED 状态堆积。
tcp_abort_on_overflowLISTEN（SYN 队列满时）当 SYN 队列满，服务器是否发送RST 报文给客户端（而非默认丢弃）。目的：对应文档中 “recv: RST” 的异常处理，让客户端快速感知 “连接失败”（而非一直重试超时），减少客户端资源浪费。
阶段 2：数据传输阶段（ESTABLISHED）

此阶段是 TCP 连接的核心（文档定义为 “可向用户交付数据的正常状态”），参数设计目标是 “保证连接存活、优化传输效率、避免僵尸连接”。

内核参数对应文档状态（ESTABLISHED）含义与设计目的
tcp_keepalive_timeESTABLISHED（无数据传输时）定义ESTABLISHED 状态下，无数据传输后多久触发 TCP 保活探测（默认 7200 秒，即 2 小时）。目的：检测 “僵尸连接”（如客户端崩溃未发 FIN），避免 ESTABLISHED 状态的无效连接长期占用服务器端口 / 内存。
tcp_keepalive_intvlESTABLISHED（保活探测）控制保活探测的重试间隔（默认 75 秒）。目的：若第一次探测无响应，后续每隔此时间重试，平衡 “快速检测死连接” 与 “减少网络探测开销”。
tcp_keepalive_probesESTABLISHED（保活探测）控制保活探测的总重试次数（默认 9 次）。目的：若多次探测无响应，服务器主动关闭连接（释放 ESTABLISHED 资源），避免无限探测浪费带宽。
tcp_window_scalingESTABLISHED（数据传输）开启 TCP 窗口缩放（RFC 1323），将 TCP 窗口大小从默认 65535 字节扩展到最大 1GB。目的：优化大带宽场景（如跨地域传输）的 ESTABLISHED 状态传输效率，避免 “窗口满导致的频繁等待 ACK”。
tcp_sackESTABLISHED（数据重传）开启 “选择性确认”（SACK），允许接收方告知发送方 “哪些数据段已丢失”，而非仅确认最后一个正确接收的段。目的：减少 ESTABLISHED 状态下的冗余重传（如仅重传丢失的小段），提升丢包场景下的传输效率。
阶段 3：连接关闭阶段（ESTABLISHED → FIN-WAIT-1/FIN-WAIT-2/CLOSE-WAIT → LAST-ACK → TIME-WAIT → CLOSED）

此阶段核心是 “安全释放连接，避免旧报文干扰新连接”，对应文档中主动关闭（FIN-WAIT-1/2、TIME-WAIT）、被动关闭（CLOSE-WAIT、LAST-ACK）、同时关闭（CLOSING） 等状态。

内核参数对应文档状态 / 转移含义与设计目的
tcp_fin_timeoutFIN-WAIT-2（主动关闭后等待 FIN）定义FIN-WAIT-2 状态下，服务器（主动关闭方）等待远程发 FIN 的超时时间（默认 60 秒）。目的：对应文档中 “FIN-WAIT-2 等待远程 TCP 终止请求” 的逻辑，若远程一直不发 FIN，超时后主动关闭连接，避免 FIN-WAIT-2 状态长期堆积（占用端口）。
tcp_time_wait_lenTIME-WAIT（等待 2MSL）定义TIME-WAIT 状态的存续时间（默认 60 秒，即 2 倍 MSL，MSL 为报文最大生存时间，通常 30 秒）。目的：文档明确 TIME-WAIT 是 “确保远程收到终止 ACK”，此参数保证：1. 旧连接的延迟报文（如 FIN/ACK）已消失，不干扰新连接；2. 远程未收到 ACK 时，本地仍能重发。
tcp_max_tw_bucketsTIME-WAIT（状态数量限制）定义系统能同时存在的TIME-WAIT 状态连接最大数量（默认 180000）。目的：TIME-WAIT 连接会占用端口（每个连接对应一个本地端口），若数量过多会耗尽端口资源（默认端口范围 65535），此参数限制后，内核会关闭旧的 TIME-WAIT 连接，保证新连接能分配端口。
tcp_tw_reuseTIME-WAIT（端口复用）允许TIME-WAIT 状态的端口被新的 TCP 连接复用（需满足 “新连接的四元组与旧连接不同” 或 “时间超过 1 秒”）。目的：缓解 TIME-WAIT 端口耗尽问题（如高并发短连接场景），在不影响新连接安全性的前提下提升端口利用率。
tcp_tw_recycleTIME-WAIT（快速回收）开启后，内核会快速回收来自同一 IP、同一端口的 TIME-WAIT 连接（需配合 tcp_timestamps 使用）。目的：进一步减少 TIME-WAIT 堆积，但因可能导致 NAT 网络下的连接异常（不同客户端通过同一 NAT IP 访问，会被误判为同一连接），现代内核已逐步弃用。
tcp_orphan_retriesFIN-WAIT-1/LAST-ACK（孤儿连接）控制孤儿连接（本地已关闭、远程未响应）在 FIN-WAIT-1/LAST-ACK 状态下的重发次数（默认 0 次，即直接超时）。目的：避免孤儿连接长期占用资源，快速释放 FIN-WAIT-1/LAST-ACK 状态的无效连接。

三、内核 TCP 参数设计的核心目标

从 TCP 状态机视角看，所有参数的设计均围绕三个核心矛盾展开，最终服务于 “TCP 连接的可靠性与资源高效利用”：

  1. 可靠性 vs 资源开销：如tcp_syn_retries通过有限重试保证弱网连接，同时避免无限重试浪费 CPU；tcp_time_wait_len通过 2MSL 等待保证报文不干扰，同时限制时长避免端口占用。

  2. 服务容量 vs 攻击抵御：如tcp_max_syn_backlog平衡 “接收更多 SYN 请求” 与 “抵御 SYN 洪水”，tcp_syncookies在队列满时仍能处理合法请求。

  3. 并发效率 vs 稳定性：如tcp_tw_reuse提升高并发短连接的端口利用率，tcp_keepalive_*避免僵尸连接占用资源，保证系统能处理更多有效连接。

综上，内核 TCP 参数是 TCP 状态机 “落地实现” 的关键配置 —— 通过精细化控制每个状态的 “存续规则” 与 “转移条件”，让 TCP 在复杂网络环境下既保证可靠性，又不浪费系统资源。

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