[网络协议]TCP连接 TIME_WAIT和CLOSE_WAIT

三次握手原因：保证数据传输可靠。通过三次握手对连接双方的序号进行确认，保证未来的可靠数据传输。
四次挥手原因：全双工。

TIME_WAIT：主动关闭端发送最后一个ACK时，需在TIME_WAIT状态停留2MSL时间。（MSL：任何报文段被丢弃前在网络中的最长时间）（该状态下，定义该连接的套接字不能再被使用，即不能建立新连接）
目的：

1. 防止最后一个ACK丢失。若丢失，另一端超时重传FIN。假设C端是主动关闭方，C端发送的最后一个ACK丢失，S端超时重传FIN，若无TIME_WAIT，C端则已经断开连接，收到S的FIN时，会返回一个RST报文，则S端会连接异常。（java中为connection reset的SocketException）
2. 假设不停留在TIME_WAIT状态，新建了连接，会导致：
   2.1 新建连接无法成功。假设C端最后一个ACK超时，但没有TIME_WAIT状态，则C端默认已经关闭了该连接，此时C端复用该套接字，发送SYN新建连接，由于S端未收到上一次连接的ACK，会发送RST报文，新连接无法建立成功，C端异常。
   2.2 旧连接的迟到报文段被误解为是新连接的报文段。（而2MSL的时间足够让本次连接所有迟到报文段都消失在网络中，防止其扰乱新连接）

其他情况假设：

1. S端的FIN丢失：S端重传FIN，C端收到发送ACK。
2. C端的最后一个ACK连续丢失两次，2MSL时间是否够用？够用，C端每次发送报文计时器会重置，重新开始2MSL时间的计时。

TIME_WAIT过多：主动关闭连接一方可能出现大量TIME_WAIT，端口不够用加上停留时间过长，可能会导致无法接受新的连接。解决方法（编辑文件/etc/sysctl.conf修改参数）：

1. net.ipv4.tcp_timestamps：两个时间戳字段
   
   TSval为发送该数据包的时间，TSecr只在设置了ACK位时有效，值通常为最近收到对方发送的数据包的时间。

rfc1323 3.2节：The Timestamp Echo Reply field (TSecr) is only valid if the ACK
bit is set in the TCP header; if it is valid, it echos a times-
tamp value that was sent by the remote TCP in the TSval field
of a Timestamps option. When TSecr is not valid, its value
must be zero. The TSecr value will generally be from the most
recent Timestamp option that was received; however, there are
exceptions that are explained below.

2. net.ipv4.tcp_tw_reuse：复用处于TIME_WAIT状态的连接。
   问题在于，该连接被复用，上面出现的ACK丢失或延迟报文段到达等问题如何解决：依赖上述时间戳选项，来判断收到的数据包是否属于旧连接。由于新建连接会收到ACK，则TSecr有效且保存了新建连接的时间，当收到一个数据包时，比较TSecr与该数据包被发送的时间TSval，即可判断该数据包属于哪条连接，若早于TSecr，说明是旧连接的延迟数据包，可以丢弃。
   因此该配置依赖通信双方开启net.ipv4.tcp_timestamps参数。
3. net.ipv4.tcp_tw_recycle：内核快速回收处于TIME_WAIT状态的连接。
   （与复用连接不同，只是可能恰好用了相同的五元组）
   同样依赖时间戳判断无效的数据包，但会出现另一个问题。如果客户端是在NAT网络中（多个客户端向该服务器发送请求，显示为同一个IP出口，（由于设置了tcp_tw_recycle字段，会清楚TCP的四元组信息释放内存，因此没法根据端口判断，但可以根据IP判断，即比较该IP的时间戳。）），一个RTO内多个客户端同时建立连接，由于不同客户端发包时间不同，可能导致只有一个客户端能成功建立连接，其他的SYN都被丢掉了，会导致客户端一直重传SYN（因为收不到ACK）。
   所以客户端在NAT网络中时不要开启该选项。

CLOSE_WAIT：被动关闭方未关闭连接所处的状态。
出现原因：

1. 应用程序没有合适的关闭socket
2. 获取不到CPU时间片去关闭连接，可能时间片都被其他进程占用了，或者应用程序被阻塞（锁等）

大量CLOSE_WAIT：由于套接字要打开fd，而机器能打开的fd有限，且内核中的hash table要维护连接，因此大量CLOSE_WAIT会占用过多内存和fd。

keepalive:设置SO_KEEPALIVE选项，则TCP的keepalive保活机制生效。
TCP keepalive保活机制的参数（/etc/sysctl.conf中设置）：

1. tcp_keepalive_time：发送第一个保活探测包的时间间隔（即正常发送心跳的周期），默认7200s即两小时。
2. tcp_keepalive_probes：第一个探测包未收到确认，继续发送的次数，默认9次。
3. tcp_keepalive_intvl：探测包未收到确认，继续发送的时间间隔，默认75s。

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/40013724
https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc1323
http://chenzhenianqing.com/articles/1150.html