[网络协议]TCP握手挥手Time wait Connection reset等记录

最近重新翻看了相关资料，结合工作上的问题对TCP相关知识重新做了个总结，对之前的记录做了修改和补充。

1. 定义

• IP协议

  • IP 协议实际上是用来查找地址的，而它对应的层级也是网络层，也可以称之为网际互联层，区别不大。

• TCP协议

  • TCP 协议是用来规范传输规则的，和IP 协议是不同的，而它对应的层级是传输层，也就是IP去寻找地址，把所有的传输任务都交给TCP，而TCP相当于一个快递员的角色。

2. 三次握手

• • seq：sequence number 的缩写，即序号。seq表示的则是自己传递的序号，TCP在传输的时候，其中每一个字节，都会有一个序号，发送数据的时候，会把第一个数据的第一个序号发送给对方，就是看到的第一步，而接收的这一方面，会按照这个序号来检查是否是一个连接完整的数据，是完整的话就继续，不完整的话就重新发送。保证数据完整性不被破坏。
  • ack： 注意是小写的 acknoledgement number的缩写 表示确认号 ，要和ACK（确认位）区分 ，接收端用它来给发送端返回接受消息的数据信息，而这时候，它的值就是表明我想接收下一个数据包了。而这个值就是下一个数据包的开始的序号，而这个ack所代表的值的序号前面的数据都已经接受成功了。ack是对seq的确认，所以这里的ack其实是seq+1
  • ACK确认位： 只有当ACK=1的时候ack才会起到作用，而在我们第一次请求的时候，是没有需要确认的接受的数据的，这个时候ACK=0，正常通信下ACK=1.
  • SYN： 同步位 ，作用是用于建立连接时同步序号，刚建立连接的时候，ACK=0这时ack就不起作用，当接收端收到SYN=1的报文的时候，会将ack设置为接收到的seq+1的值，这时候的ack的值就是根据SYN来设置的。同步位的时候seq不消耗序号
  • FIN：终止位，在本图没有体现，在四次挥手的时候能完全体现出来。而它是用来在数据传输都完成之后来释放连接的。
• 上图解析：
  • 第一次握手（SYN=1，seq=x）
    • 客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包，指明客户端打算连接的服务器的端口，以及初始序号X，保存在包头的序列号（seq）中。发送完毕后，客户端进入SYN_SEND状态 TCP 发送SYN标志位的时候seq 是不携带数据的，但是要消耗一个序号
  • 第二次握手（ack=x+1,ACK=1,seq=y,SYN=1）
    • 服务器发回确认包（ACK）应答。即SYN和ACK标志位都为1。服务器端选择自己ISN序列号，放到seq域中，同时将确认序号ack设置为客户的ISN加1，即x+1。发送完毕后，服务端进入SYN_RCVD状态
  • 第三次握手（ack=y+1,ACK=1,seq=x+1）
    • 客户端再次发送确认包（ACK），SYN标志位为0，ACK标志位为1，并且把服务器发来的ACK序号字段+1，放在ack中返回。发送完毕后，客户端进入ESTABLISHED状态，当服务端接收到这个包时也会进入ESTABLISHED状态，TCP握手结束。这里的ack 是针对第二次握手的seq=y 的确认，seq=x+1 是对第一次发送seq=x的递增，因为第一次握手的时候SYN消耗了一个需要，第三次如果不携带数据的话就是x+1

3. 四次挥手

• 流程解读：
  • 第一次挥手（FIN=1，ACK=1,seq=u ,ack=v）
    • 假如客户端想要关闭连接，客户端发送一个FIN标志位置为1的包，表示自己已经没有数据可以发送了，但是任然可以接受数据，发送完毕后，客户端进入FIN_WAIT_1状态
  • 第二次挥手（ACK=1，seq=v,ack=u+1）
    • 服务器端接收到客户端发送的FIN包，发送一个确认包，表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但是服务端还没有准备好关闭连接。发送完毕后，服务器端进入CLOSE_WAIT状态，客户端收到这个确认包后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器关闭连接。 (seq等于客户端上次确认的需要即v)
  • 第三次挥手（FIN=1，ACK=1,seq=w,ack=u+1）
    • 服务器端准备好关闭连接时，向客户端发送结束连接请求，FIN值为1。发送完毕后，服务器端进入LAST_ACK状态 ，等待来自客户端的最后一个ACK。
  • 第四次挥手（ACK=1，seq=u+1,ack=w+1）
    • 客户端收到服务端的关闭请求时，发送一个确认包，并且进入TIME_WAIT状态，等待可能出现的要求重传的ACK包。
    • 服务器端接收到这个包后，关闭连接，进入CLOSED状态
    • 客户端等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2Maximum Segment Lifetime,默认1MSL2分钟）之后，没有收到服务器端的ACK，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入CLOSED状态。两次后会重传直到超时。如果多了会有大量半链接阻塞队列。

4. 为什么连接三次握手，而断开是四次挥手呢

• 这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示客户端不再发送数据，但是还能接受数据，服务端是否现在关闭数据发送通道需要上层应用决定，因此ACK和FIN一般分开发送。

5. 服务器保持了大量TIME_WAIT状态

• 原因

  • TIME_WAIT是主动关闭连接的一方保持的状态，对于爬虫服务器来说他本身就是“客户端”，在完成一个爬取任务之后，他就 会发起主动关闭连接，从而进入TIME_WAIT的状态，然后在保持这个状态2MSL（max segment lifetime）时间之后，彻底关闭回收资源。

  • 查看服务器所有连接状态的命令

    netstat -n|awk '/^tcp/{++S[$NF]}END{for (key in S) print key,S[key]}'
    

• 为什么？

  • 防止上一次连接中的包，迷路后重新出现，影响新连接（经过2MSL，上一次连接中所有的重复包都会消失）
  • 可靠的关闭TCP连接。在主动关闭方发送的最后一个 ack(fin) ，有可能丢失，这时被动方会重新发fin, 如果这时主动方处于 CLOSED 状态 ，就会响应 rst 而不是 ack。所以主动方要处于 TIME_WAIT 状态，而不能是 CLOSED 。另外这么设计TIME_WAIT 会定时的回收资源，并不会占用很大资源的，除非短时间内接受大量请求或者受到攻击。

• 解决方案

  • 编辑文件/etc/sysctl.conf，加入以下内容：

    net.ipv4.tcp_syncookies = 1
    net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
    net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
    net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
    

6. 服务器保持了大量CLOSE_WAIT状态

• 原因

  • 就是在对方关闭连接之后服务器程序自己没有进一步发出ack信号。换句话说，就是在对方连接关闭之后，程序里没有检测到，或者程序压根就忘记了这个时候需要关闭连接，于是这个资源就一直
    被程序占着。

  • 比如说

    服务器A是一台爬虫服务器，它使用简单的HttpClient去请求资源服务器B上面的apache获取文件资源，正常情况下，如果请求成功，那么在抓取完 资源后，服务器A会主动发出关闭连接的请求，这个时候就是主动关闭连接，服务器A的连接状态我们可以看到是TIME_WAIT。如果一旦发生异常呢？假设 请求的资源服务器B上并不存在，那么这个时候就会由服务器B发出关闭连接的请求，服务器A就是被动的关闭了连接，如果服务器A被动关闭连接之后程序员忘了 让HttpClient释放连接，那就会造成CLOSE_WAIT的状态了。

• 解决方案

  • 此问题一般是由于程序代码编写问题导致的，查代码吧

7. Connection reset

• 一般访问量比较大的web服务器日志中或多或少能看到一些Connection reset 的报错。举个例子，A服务器访问B服务器的服务，B服务器由于异常等原因关闭了连接，A服务还在向B服务这个连接中读取数据，由于java的Socket.close()语义和TCP的FIN标志语义不一样，不是表示不再发送数据，而是标示不再接收数据，会向A服务器发送RST标志，A服务器就会报出Connection reset 。

8. Connection reset by peer

• 和上面相反，B服务器向关闭了连接的A服务器写数据就会导致B服务器报这个错，常见就是客户端有请求超时限制，服务端的接口比较慢超过了这个限制，客户端超时后关闭了连接，服务端还在向客户端写数据就会触发这个报错。