TCP 連線狀態機制與流程

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在開發基於 HTTP 的網路應用服務時，當有大量連線要求，或是與長連線 (Persistent connection) 要求時，常常遇到底層 TCP 的連線斷線錯誤，導致服務不穩定。因此研究了解 TCP 的連線狀態機制，並嘗試用自己的方式整理筆記，希望能從基礎知識中找到解決錯誤的線索，或是任何能更進一步優化服務的手段。

僅紀錄 TCP 連線狀態以及建立或是斷開連線流程，關於進一步的 TCP 封包協定可參考 Reference 連線。

TCP 建立連線 (Open)

通常的 TCP 連線建立流程與狀態，需要三次的訊息交換來建立連線 (three-way handshaking)：

TCP 建立連線流程圖

其中左邊通常為 server，右邊則為 client，文字流程描述：

Server 建立 TCB，開啟監聽連線，進入狀態 LISTENING
Client 發出連線要求 SYN，進入狀態 SYN-SENT，等待回應
Server 收到 SYN 要求，回應連線傳送 SYN+ACK，並進入狀態 SYN-RCVD (SYN-RECEIVED)
Client 收到 SYN+ACK 確認完成連線進入狀態 ESTABLISHED，並送出 ACK
Server 收到 ACK 確認連線完成，也進入狀態 ESTABLISHED
雙方開始傳送交換資料

該些名詞與狀態說明：

CLOSED：連線關閉狀態
LISTENING：監聽狀態，被動等待連線
SYN-SENT：主動送出連線要求 SYN，並等待對方回應
SYN-RCVD：收到連線要求 SYN，送出己方的 SYN+ACK 後，等待對方回應
ESTABLISHED：確定完成連線，可開始傳輸資料
TCB：Transmission Control Block，see wiki
SYN：Synchronous，表示與對方建立連線的同步符號
ACK：Acknowledgement，表示發送的數據已收到無誤

在建立連線時，可能會發生雙方同步建立連線的情形 (Simultaneous open)，常見於 P2P 的應用中，其 TCP 建立連線的流程不太一樣：

TCP 同步建立連線流程圖

畫成 TCP 狀態流程圖會是這樣：

TCP Open 狀態圖

TCP 斷開連線 (Close)

TCP 關閉流程如下，比建立連線還要複雜一些，需要經過四次的訊息交換 (four-way handshaking)，要注意的是可以是由 server 發起主動關閉，抑或是 client 發起主動關閉：

TCP 關閉連線流程圖

其中左邊通常為 client 狀態 (由 client 主動發起關閉連線)，右邊則為 server 狀態，文字流程描述：

Client 準備關閉連線，發出 FIN，進入狀態 FIN-WAIT-1
Server 收到 FIN，發回收到的 ACK，進入狀態 CLOSE-WAIT，並通知 App 準備斷線
Client 收到 ACK，進入狀態 FIN-WAIT-2，等待 server 發出 FIN
Server 確認 App 處理完斷線請求，發出 FIN，並進入狀態 LAST-ACK
Client 收到 FIN，並回傳確認的 ACK，進入狀態 TIME-WAIT，等待時間過後正式關閉連線
Server 收到 ACK，便直接關閉連線

該些名詞與狀態說明：

ESTABLISHED：連線開啟狀態
CLOSE-WAIT：等待連線關閉狀態，等待 App 回應
LAST-ACK：等待連線關閉狀態，等待遠端回應 ACK 後，便關閉連線
FIN-WAIT-1：等待連線關閉狀態，等待遠端回應 ACK
FIN-WAIT-2：等待連線關閉狀態，等待遠端回應 FIN
TIME-WAIT：等待連線關閉狀態，等段一段時候，保證遠端有收到其 ACK 關閉連線 (網路延遲問題)
CLOSED：連線關閉狀態
FIN：表示關閉連線的同步符號
ACK：Acknowledgement，表示發送的數據已收到無誤

有可能連線的雙方同時發起關閉，雖然機率還蠻低的：

TCP 同步關閉連線流程圖

這邊多一個狀態：

CLOSING：等待連線關閉狀態，等待遠端回應 ACK

畫成 TCP 狀態流程圖會是這樣：

TCP Close 狀態圖

查詢現在電腦的 TCP 狀態

查詢目前所有的連線狀態 (Windows & Linux)：

netstat -a

Reference

posted on 2020-12-29 10:04 paulwong 阅读(2) 评论(0) 编辑收藏所属分类: LINUX 、LINUX-SHELL 、TCP

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