Linux服务器上11种网络连接状态 和 TCP三次握手/四次挥手详解

一、Linux服务器上11种网络连接状态:


图:TCP的状态机通常情况下:一个正常的TCP连接，都会有三个阶段:1、TCP三次握手;2、数据传送;3、TCP四次挥手注:以下说明最好能结合”图:TCP的状态机”来理解。SYN: (同步序列编号,Synchronize Sequence Numbers)该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。表示一个新的TCP连接请求。ACK: (确认编号,Acknowledgement Number)是对TCP请求的确认标志,同时提示对端系统已经成功接收所有数据。FIN: (结束标志,FINish)用来结束一个TCP回话.但对应端口仍处于开放状态,准备接收后续数据。1)、LISTEN:首先服务端需要打开一个socket进行监听，状态为LISTEN. /* The socket is listening for incoming connections. 侦听来自远方TCP端口的连接请求 */
2)、SYN_SENT:客户端通过应用程序调用connect进行active open.于是客户端tcp发送一个SYN以请求建立一个连接.之后状态置为SYN_SENT. /*The socket is actively attempting to establish a connection. 在发送连接请求后等待匹配的连接请求 */3)、SYN_RECV:服务端应发出ACK确认客户端的SYN,同时自己向客户端发送一个SYN. 之后状态置为SYN_RECV /* A connection request has been received from the network. 在收到和发送一个连接请求后等待对连接请求的确认 */4)、ESTABLISHED: 代表一个打开的连接，双方可以进行或已经在数据交互了。/* The socket has an established connection. 代表一个打开的连接，数据可以传送给用户 */5)、FIN_WAIT1:主动关闭(active close)端应用程序调用close，于是其TCP发出FIN请求主动关闭连接，之后进入FIN_WAIT1状态./* The socket is closed, and the connection is shutting down. 等待远程TCP的连接中断请求，或先前的连接中断请求的确认 */6)、CLOSE_WAIT:被动关闭(passive close)端TCP接到FIN后，就发出ACK以回应FIN请求(它的接收也作为文件结束符传递给上层应用程序),并进入CLOSE_WAIT. /* The remote end has shut down, waiting for the socket to close. 等待从本地用户发来的连接中断请求 */7)、FIN_WAIT2:主动关闭端接到ACK后，就进入了FIN-WAIT-2 ./* Connection is closed, and the socket is waiting for a shutdown from the remote end. 从远程TCP等待连接中断请求 */8)、LAST_ACK:被动关闭端一段时间后，接收到文件结束符的应用程序将调用CLOSE关闭连接。这导致它的TCP也发送一个 FIN,等待对方的ACK.就进入了LAST-ACK . /* The remote end has shut down, and the socket is closed. Waiting for acknowledgement. 等待原来发向远程TCP的连接中断请求的确认 */9)、TIME_WAIT:在主动关闭端接收到FIN后，TCP就发送ACK包，并进入TIME-WAIT状态。/* The socket is waiting after close to handle packets still in the network.等待足够的时间以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认 */10)、CLOSING: 比较少见./* Both sockets are shut down but we still don’t have all our data sent. 等待远程TCP对连接中断的确认 */11)、CLOSED: 被动关闭端在接受到ACK包后，就进入了closed的状态。连接结束./* The socket is not being used. 没有任何连接状态 */
TIME_WAIT状态的形成只发生在主动关闭连接的一方。
主动关闭方在接收到被动关闭方的FIN请求后，发送成功给对方一个ACK后,将自己的状态由FIN_WAIT2修改为TIME_WAIT，而必须再等2倍 的MSL(Maximum Segment Lifetime,MSL是一个数据报在internetwork中能存在的时间)时间之后双方才能把状态 都改为CLOSED以关闭连接。目前RHEL里保持TIME_WAIT状态的时间为60秒。当然上述很多TCP状态在系统里都有对应的解释或设置,可见man tcp二、关于长连接和短连接:
通俗点讲:短连接就是一次TCP请求得到结果后,连接马上结束.而长连接并不马上断开,而一直保持着,直到长连接TIMEOUT(具体程序都有相关参数说明).长连接可以避免不断的进行TCP三次握手和四次挥手.
长连接(keepalive)是需要靠双方不断的发送探测包来维持的,keepalive期间服务端和客户端的TCP连接状态是ESTABLISHED. 目前http 1.1版本里默认都是keepalive(1.0版本默认是不keepalive的)，ie6/7/8和firefox都默认用的是http 1.1版本了(如何查看当前浏览器用的是哪个版本，这里不再赘述)。Apache,java一个应用至于到底是该使用短连接还是长连接，应该视具体情况而定。一般的应用应该使用长连接。1、Linux的相关keepalive参数a、 tcp_keepalive_time – INTEGER
How often TCP sends out keepalive messages when keepalive is enabled.
Default: 2hours.
b、 tcp_keepalive_probes – INTEGER
How many keepalive probes TCP sends out, until it decides that the
connection is broken. Default value: 9.
c、 tcp_keepalive_intvl – INTEGER
How frequently the probes are send out. Multiplied by
tcp_keepalive_probes it is time to kill not responding connection,
after probes started. Default value: 75sec i.e. connection
will be aborted after ~11 minutes of retries.2、F5负载均衡上的相关参数说明a、Keep Alive Interval
Specifies, when enabled, how frequently the system sends data over an idle TCP connection, to determine whether the connection is still valid.
Specify: Specifies the interval at which the system sends data over an idle connection, to determine whether the connection is still valid. The default is 1800 milliseconds.
b、Time Wait
Specifies the length of time that a TCP connection remains in the TIME-WAIT state before entering the CLOSED state.
Specify: Specifies the number of milliseconds that a TCP connection can remain in the TIME-WAIT state. The default is 2000.c、Idle Timeout
Specifies the length of time that a connection is idle (has no traffic) before the connection is eligible for deletion.
Specify: Specifies a number of seconds that the TCP connection can remain idle before the system deletes it. The default is 300 seconds.3、Apache的相关参数说明
以下是Apache/2.0.61版本的默认参数和说明a、KeepAlive:
default On.Whether or not to allow persistent connections (more than
one request per connection). Set to “Off” to deactivate.
b、MaxKeepAliveRequests:
default 100.The maximum number of requests to allow
during a persistent connection. Set to 0 to allow an unlimited amount.
We recommend you leave this number high, for maximum performance.
c、KeepAliveTimeout:
default 15. Number of seconds to wait for the next request from the
same client on the same connection.TCP三次握手/四次挥手详解1、建立连接协议（三次握手）
（1）客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
（2） 服务器端回应客户端的，这是三次握手中的第2个报文，这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应；同时又标志SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。
（3） 客户必须再次回应服务段一个ACK报文，这是报文段3。
2、连接终止协议（四次挥手）
　 　由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。
　（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。
　（2） 服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
　（3） 服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文段6）。
　（4） 客户段发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。
CLOSED: 这个没什么好说的了，表示初始状态。
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态，表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。
SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本 上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态 时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。
SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状 态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
ESTABLISHED：这个容易理解了，表示连接已经建立了。
FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别 是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即 进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马 上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接。
TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带 FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING: 这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的 ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什 么情况下会出现此种情况呢？其实细想一下，也不难得出结论：那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报 文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。
CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对 方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以 close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。
LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。
最后有2个问题的回答，我自己分析后的结论（不一定保证100%正确）
1、 为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？
这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在 一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以 未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报 文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？
这是因为：虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到 ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于 LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的 ACK报文。转载请注明出处。http://www.vimer.cn================================http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/8966936最常见的可选字段是最长报文大小MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段中指明这个选项。它指明本端所能接收的最大长度的报文段(payload)。该选项如果不设置，默认为536（20+20+536=576字节的IP数据报），其中ip首部和tcp首部各20个字节，而internet 上标准的MTU （最小）为576B。
The maximum segment size (MSS) is the largest segment that a TCP is willing to receive from its peer and, consequently, the largest size its peer should ever use when sending. The MSS value counts only TCP data bytes and does not include the sizes of any associated TCP or IP header

二、通讯时序（3次握手-->传输数据-->4次挥手）下图是一次TCP通讯的时序图：



在这个例子中，首先客户端主动发起连接、发送请求，然后服务器端响应请求，然后客户端 主动关闭连接。两条竖线表示通讯的两端，从上到下表示时间的先后顺序，注意，数据从一端传到网络的另一端也需要时间，所以图中的箭头都是斜的。双方发送的 段按时间顺序编号为1-10，各段中的主要信息在箭头上标出，例如段2的箭头上标着SYN, 8000(0), ACK 1001, <mss 1024>，表示该段中的SYN位置1，32位序号是8000，该段不携带有效载荷（数据字节数为0），ACK位置1，32位确认序号是1001， 带有一个mss选项值为1024。通讯双方各自维护一套序号 建立连接的过程：
1. 客户端发出段1，SYN位表示连接请求。序号是1000，这个序号在网络通讯中用作临时的地址，每发一个数据字节，这个序号要加1，这样在接收端可以根据序号排出数据包的正确顺序，也可以发现丢包的情况，另外，规定SYN位和FIN位也要占一个序号，这次虽然没发数据，但是由于发了SYN位，因此下次再发送应该用序号1001。mss表示最大段尺寸，如果一个段太大，封装成帧后超过了链路层的最大帧长度，就必须在IP层分片，为了避免这种情况，客户端声明自己的最大段尺寸，建议服务器端发来的段不要超过这个长度。
2. 服务器发出段2，也带有SYN位，同时置ACK位表示确认，确认序号是1001，表示“我接收到序号1000及其以前所有的段，请你下次发送序号为1001的段”，也就是应答了客户端的连接请求，同时也给客户端发出一个连接请求，同时声明最大尺寸为1024。
3. 客户端发出段3，对服务器的连接请求进行应答，确认序号是8001。

在这个过程中，客户端和服务器分别给对方发了连接请求，也应答了对方的连接请求，其中服务器的请求和应答在一个段中发出，因此一共有三个段用于建立连接，称为'''三方握手（three-way-handshake）'''。在建立连接的同时，双方协商了一些信息，例如双方发送序号的初始值、最大段尺寸等。
在TCP通讯中，如果一方收到另一方发来的段，读出其中的目的端口号，发现本机并没有任何进程使用这个端口，就会应答一个包含RST位的段给另一方。例 如，服务器并没有任何进程使用8080端口，我们却用telnet客户端去连接它，服务器收到客户端发来的SYN段就会应答一个RST段，客户端的 telnet程序收到RST段后报告错误Connection refused.
In general, a reset is sent by TCP whenever a segment arrives that does not appear to be correct for the referenced connection. (We use the term referenced connection to mean the connection specified by the 4-tuple in the TCP and IP headers of the reset.) Resets ordinarily result in a fast teardown of a TCP connection. 数据传输的过程：
1. 客户端发出段4，包含从序号1001开始的20个字节数据。
2. 服务器发出段5，确认序号为1021，对序号为1001-1020的数据表示确认收到，同时请求发送序号1021开始的数据，服务器在应答的同时也向客户端发送从序号8001开始的10个字节数据，这称为piggyback。
3. 客户端发出段6，对服务器发来的序号为8001-8010的数据表示确认收到，请求发送序号8011开始的数据。

在数据传输过程中，ACK和确认序号是非常重要的，应用程序交给TCP协议发送的数据会暂存在TCP层的发送缓冲区中，发出数据包（TCP段）给对方之后，只有收到对方应答的ACK段才知道该数据包确实发到了对方，可以从发送缓冲区中释放掉了，如果因为网络故障丢失了数据包或者丢失了对方发回的ACK段，经过等待超时后TCP协议自动将发送缓冲区中的数据包重发。

这个例子只描述了最简单的一问一答的情景，实际的TCP数据传输过程可以收发很多数据段，虽然典型的情景是客户端主动请求服务器被动应答，但也不是必须如此，事实上TCP协议为应用层提供了全双工（full-duplex）的服务，双方都可以主动甚至同时给对方发送数据。
如果通讯过程只能采用一问一答的方式，收和发两个方向不能同时传输，在同一时间只允许一个方向的数据传输，则称为'''半双工（half-duplex）'''，假设某种面向连接的协议是半双工的，则只需要一套序号就够了，不需要通讯双方各自维护一套序号。 关闭连接的过程：
1. 客户端发出段7，FIN位表示关闭连接的请求。
2. 服务器发出段8，应答客户端的关闭连接请求。
3. 服务器发出段9，其中也包含FIN位，向客户端发送关闭连接请求。
4. 客户端发出段10，应答服务器的关闭连接请求。

建立连接的过程是三方握手，而关闭连接通常需要4个段，服务器的应答和关闭连接请求通常不合并在一个段中，因为有连接半关闭的情况(调用shutdown而不是close)，这种情况下客户端关闭连接之后就不能再发送数据给服务器了，但是服务器还可以发送数据给客户端，直到服务器也关闭连接为止。

三、滑动窗口和流量控制 如果发送端发送的速度较快，接收端接收到数据后处理的速度较慢，而接收缓冲区的大小是固定的，就会丢失数据。TCP协议通过'''滑动窗口（SlidingWindow）'''机制解决这一问题。看下图的通讯过程。
win代表本地还有多大的空闲缓冲区，mss代表tcp一次发送的最大包


1. 发送端发起连接，声明最大段尺寸是1460(mss，一个tcp段能携带的最大数据量)，初始序号是0，窗口大小是4K，表示“我的接收缓冲区还有4K字节空闲，你发的数据不要超过4K”。接收端应答连接请求，声明最大段尺寸是1024，初始序号是8000，窗口大小是6K。发送端应答，三方握手结束。
2. 发送端发出段4-9，每个段带1K的数据，发送端根据窗口大小知道接收端的缓冲区满了，因此停止发送数据。
3. 接收端的应用程序提走2K数据，接收缓冲区又有了2K空闲，接收端发出段10，在应答已收到6K数据的同时声明窗口大小为2K。
4. 接收端的应用程序又提走2K数据，接收缓冲区有4K空闲，接收端发出段11，重新声明窗口大小为4K。
5. 发送端发出段12-13，每个段带1K数据，段13同时还包含FIN位。
6. 段14，接收端应答接收到的2K数据（6145-8192），再加上FIN位占一个序号8193，因此应答序号是8194，接收端同时声明窗口大小为2K。
7. 段15，接收端的应用程序提走2K数据，接收端重新声明窗口大小为4K。
8. 段16，接收端的应用程序提走剩下的2K数据，接收缓冲区全空，接收端重新声明窗口大小为6K。
9. 接收端的应用程序在提走全部数据后，决定关闭连接，发出段17包含FIN位，发送端应答，连接完全关闭。
上图在接收端用小方块表示1K数据，实心的小方块表示已接收到的数据，虚线框表示接收缓冲区，因此套在虚线框中的空心小方块表示窗口大小，从图中可以看出，随着应用程序提走数据，虚线框是向右滑动的，因此称为滑动窗口。

从这个例子还可以看出，发送端是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。

四、TCP如何保证可靠性
1、应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块，称为段传递给IP层。
2、当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。
3、当TCP收到发自TCP连接另一端的数据段，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。
4、TCP将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段并且不确认（导致对方超时重传）
5、TCP承载于IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。TCP将对收到的数据段进行重新排序后呈现在接收缓冲区给应用层提取。
6、IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。
7、TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有一定大小的缓冲空间。