硬核推荐 | 详解 TCP 握手原理

发表于 3年以前 | 总阅读数：404 次

我们都知道，TCP是个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

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TCP是什么

那这里面提到的"面向连接"，意味着需要建立连接，使用连接，释放连接。

建立连接是指我们熟知的TCP三次握手。

而使用连接，则是通过一发送、一确认的形式，进行数据传输。

还有就是释放连接，也就是我们常见的TCP四次挥手。

TCP四次挥手大家应该比较了解了，但大家见过三次挥手吗？还有两次挥手呢？

都见过？那四次握手呢？

今天这个话题，不想只是猎奇，也不想搞冷知识。

我们从四次挥手开始说起，搞点实用的知识点。

TCP四次挥手

简单回顾下TCP四次挥手。

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TCP四次挥手

正常情况下。只要数据传输完了，不管是客户端还是服务端，都可以主动发起四次挥手，释放连接。

就跟上图画的一样，假设，这次四次挥手是由客户端主动发起的，那它就是主动方。服务器是被动接收客户端的挥手请求的，叫被动方。

客户端和服务器，一开始，都是处于ESTABLISHED状态。

第一次挥手：一般情况下，主动方执行close()或 shutdown()方法，会发个FIN报文出来，表示"我不再发送数据了"。

第二次挥手：在收到主动方的FIN报文后，被动方立马回应一个ACK，意思是"我收到你的FIN了，也知道你不再发数据了"。

上面提到的是主动方不再发送数据了。但如果这时候，被动方还有数据要发，那就继续发。注意，虽然第二次和第三次挥手之间，被动方是能发数据到主动方的，但主动方能不能正常收就不一定了，这个待会说。

第三次挥手：在被动方在感知到第二次挥手之后，会做了一系列的收尾工作，最后也调用一个 close(), 这时候就会发出第三次挥手的 FIN-ACK。

第四次挥手：主动方回一个ACK，意思是收到了。

其中第一次挥手和第三次挥手，都是我们在应用程序中主动触发的（比如调用close()方法），也就是我们平时写代码需要关注的地方。

第二和第四次挥手，都是内核协议栈自动帮我们完成的，我们写代码的时候碰不到这地方，因此也不需要太关心。

另外不管是主动还是被动，每方发出了一个 FIN 和一个ACK 。也收到了一个 FIN 和一个ACK 。这一点大家关注下，待会还会提到。

FIN一定要程序执行close()或shutdown()才能发出吗？

不一定。一般情况下，通过对socket执行 close() 或 shutdown() 方法会发出FIN。但实际上，只要应用程序退出，不管是主动退出，还是被动退出（因为一些莫名其妙的原因被kill了）, 都会发出 FIN。

FIN 是指"我不再发送数据"，因此shutdown() 关闭读不会给对方发FIN, 关闭写才会发FIN。

如果机器上FIN-WAIT-2状态特别多，是为什么

根据上面的四次挥手图，可以看出，FIN-WAIT-2是主动方那边的状态。

处于这个状态的程序，一直在等第三次挥手的FIN。而第三次挥手需要由被动方在代码里执行close() 发出。

因此当机器上FIN-WAIT-2状态特别多，那一般来说，另外一台机器上会有大量的 CLOSE_WAIT。需要检查有大量的 CLOSE_WAIT的那台机器，为什么迟迟不愿调用close()关闭连接。

所以，如果机器上FIN-WAIT-2状态特别多，一般是因为对端一直不执行close()方法发出第三次挥手。

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FIN-WAIT-2特别多的原因

主动方在close之后收到的数据，会怎么处理

之前写的一篇文章《代码执行send成功后，数据就发出去了吗？》中，从源码的角度提到了，一般情况下，程序主动执行close()的时候；

•如果当前连接对应的socket的接收缓冲区有数据，会发RST。•如果发送缓冲区有数据，那会等待发送完，再发第一次挥手的FIN。

大家知道，TCP是全双工通信，意思是发送数据的同时，还可以接收数据。

Close()的含义是，此时要同时关闭发送和接收消息的功能。

也就是说，虽然理论上，第二次和第三次挥手之间，被动方是可以传数据给主动方的。

但如果主动方的四次挥手是通过 close() 触发的，那主动方是不会去收这个消息的。而且还会回一个 RST。直接结束掉这次连接。

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触发TCP四次挥手")

close()触发TCP四次挥手

第二第三次挥手之间，不能传输数据吗？

也不是。前面提到Close()的含义是，要同时关闭发送和接收消息的功能。

那如果能做到只关闭发送消息，不关闭接收消息的功能，那就能继续收消息了。这种 half-close 的功能，通过调用shutdown() 方法就能做到。

int shutdown(int sock, int howto);

其中 howto 为断开方式。有以下取值：

•SHUT_RD：关闭读。这时应用层不应该再尝试接收数据，内核协议栈中就算接收缓冲区收到数据也会被丢弃。 •SHUT_WR：关闭写。如果发送缓冲区中还有数据没发，会将将数据传递到目标主机。 •SHUT_RDWR：关闭读和写。相当于close()了。

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shutdown触发的TCP四次挥手

怎么知道对端socket执行了close还是shutdown

不管主动关闭方调用的是close()还是shutdown()，对于被动方来说，收到的就只有一个FIN。

被动关闭方就懵了，"我怎么知道对方让不让我继续发数据？" 其实，大可不必纠结，该发就发。

第二次挥手和第三次挥手之间，如果被动关闭方想发数据，那么在代码层面上，就是执行了 send() 方法。

int send( SOCKET s,const char* buf,int len,int flags);

send() 会把数据拷贝到本机的发送缓冲区。如果发送缓冲区没出问题，都能拷贝进去，所以正常情况下，send()一般都会返回成功。

![tcp_sendmsg 逻辑](https://cdn.jsdelivr.net/gh/xiaobaiTech/image/tcp\_sendmsg 逻辑.png)

然后被动方内核协议栈会把数据发给主动关闭方。

•如果上一次主动关闭方调用的是shutdown(socket_fd, SHUT_WR)。那此时，主动关闭方不再发送消息，但能接收被动方的消息，一切如常，皆大欢喜。

•如果上一次主动关闭方调用的是close()。那主动方在收到被动方的数据后会直接丢弃，然后回一个RST。

针对第二种情况。

被动方内核协议栈收到了RST，会把连接关闭。但内核连接关闭了，应用层也不知道（除非被通知）。

此时被动方应用层接下来的操作，无非就是读或写。

•如果是读，则会返回RST的报错，也就是我们常见的Connection reset by peer。 •如果是写，那么程序会产生SIGPIPE信号，应用层代码可以捕获并处理信号，如果不处理，则默认情况下进程会终止，异常退出。

总结一下，当被动关闭方 recv() 返回EOF时，说明主动方通过 close()或 shutdown(fd, SHUT_WR) 发起了第一次挥手。

如果此时被动方执行两次send()。

•第一次send(), 一般会成功返回。

•第二次send()时。如果主动方是通过 shutdown(fd, SHUT_WR) 发起的第一次挥手，那此时send()还是会成功。如果主动方通过 close()发起的第一次挥手，那此时会产生SIGPIPE信号，进程默认会终止，异常退出。不想异常退出的话，记得捕获处理这个信号。

如果被动方一直不发第三次挥手，会怎么样

第三次挥手，是由被动方主动触发的，比如调用close()。

如果由于代码错误或者其他一些原因，被动方就是不执行第三次挥手。

这时候，主动方会根据自身第一次挥手的时候用的是 close() 还是 shutdown(fd, SHUT_WR) ，有不同的行为表现。

•如果是 shutdown(fd, SHUT_WR) ，说明主动方其实只关闭了写，但还可以读，此时会一直处于 FIN-WAIT-2，死等被动方的第三次挥手。

•如果是 close()，说明主动方读写都关闭了，这时候会处于 FIN-WAIT-2一段时间，这个时间由 net.ipv4.tcp_fin_timeout 控制，一般是 60s，这个值正好跟2MSL一样。超过这段时间之后，状态不会变成 TIME-WAIT，而是直接变成CLOSED。

# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout
60

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一直不发第三次挥手的情况

TCP三次挥手

四次挥手聊完了，那有没有可能出现三次挥手？

是可能的。

我们知道，TCP四次挥手里，第二次和第三次挥手之间，是有可能有数据传输的。第三次挥手的目的是为了告诉主动方，"被动方没有数据要发了"。

所以，在第一次挥手之后，如果被动方没有数据要发给主动方。第二和第三次挥手是有可能合并传输的。这样就出现了三次挥手。

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TCP三次挥手

如果有数据要发，就不能是三次挥手了吗

上面提到的是没有数据要发的情况，如果第二、第三次挥手之间有数据要发，就不可能变成三次挥手了吗？

并不是。TCP中还有个特性叫延迟确认。可以简单理解为：接收方收到数据以后不需要立刻马上回复ACK确认包。

在此基础上，不是每一次发送数据包都能对应收到一个 ACK 确认包，因为接收方可以合并确认。

而这个合并确认，放在四次挥手里，可以把第二次挥手、第三次挥手，以及他们之间的数据传输都合并在一起发送。因此也就出现了三次挥手。

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TCP三次挥手延迟确认

TCP两次挥手

前面在四次挥手中提到，关闭的时候双方都发出了一个FIN和收到了一个ACK。

正常情况下TCP连接的两端，是不同IP+端口的进程。

但如果TCP连接的两端，IP+端口是一样的情况下，那么在关闭连接的时候，也同样做到了一端发出了一个FIN，也收到了一个 ACK，只不过正好这两端其实是同一个socket 。

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TCP两次挥手

而这种两端IP+端口都一样的连接，叫TCP自连接。

是的，你没看错，我也没打错别字。同一个socket确实可以自己连自己，形成一个连接。

一个socket能建立连接？

上面提到了，同一个客户端socket，自己对自己发起连接请求。是可以成功建立连接的。这样的连接，叫TCP自连接。

下面我们尝试下复现。

注意我是在以下系统进行的实验。在mac上多半无法复现。

#  cat /etc/os-release
NAME="CentOS Linux"
VERSION="7 (Core)"
ID="centos"
ID_LIKE="rhel fedora"
VERSION_ID="7"
PRETTY_NAME="CentOS Linux 7 (Core)"

通过nc命令可以很简单的创建一个TCP自连接

# nc -p 6666 127.0.0.1 6666

上面的 -p 可以指定源端口号。也就是指定了一个端口号为6666的客户端去连接 127.0.0.1:6666 。

# netstat -nt | grep 6666
tcp        0      0 127.0.0.1:6666          127.0.0.1:6666          ESTABLISHED

整个过程中，都没有服务端参与。可以抓个包看下。

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image-20210810093309117

可以看到，相同的socket，自己连自己的时候，握手是三次的。挥手是两次的。

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TCP自连接

上面这张图里，左右都是同一个客户端，把它画成两个是为了方便大家理解状态的迁移。

我们可以拿自连接的握手状态对比下正常情况下的TCP三次握手。

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正常情况下的TCP三次握手

看了自连接的状态图，再看看下面几个问题。

一端发出第一次握手后，如果又收到了第一次握手的SYN包，TCP连接状态会怎么变化？

第一次握手过后，连接状态就变成了SYN_SENT状态。如果此时又收到了第一次握手的SYN包，那么连接状态就会从SYN_SENT状态变成SYN_RCVD。

// net/ipv4/tcp_input.c
static int tcp_rcv_synsent_state_process()
{
    // SYN_SENT状态下，收到SYN包
    if (th->syn) {
        // 状态置为 SYN_RCVD
        tcp_set_state(sk, TCP_SYN_RECV);
    }
}

一端发出第二次握手后，如果又收到第二次握手的SYN+ACK包，TCP连接状态会怎么变化？

第二握手过后，连接状态就变为SYN_RCVD了，此时如果再收到第二次握手的SYN+ACK包。连接状态会变为ESTABLISHED。

// net/ipv4/tcp_input.c
int tcp_rcv_state_process()
{
    // 前面省略很多逻辑，能走到这就认为肯定有ACK
    if (true) {
        // 判断下这个ack是否合法
        int acceptable = tcp_ack(sk, skb, FLAG_SLOWPATH | FLAG_UPDATE_TS_RECENT) > 0;
        switch (sk->sk_state) {
        case TCP_SYN_RECV:
            if (acceptable) {
        // 状态从 SYN_RCVD 转为 ESTABLISHED
                tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
            } 
        }
    }
}

一端第一次挥手后，又收到第一次挥手的包，TCP连接状态会怎么变化？

第一次挥手过后，一端状态就会变成 FIN-WAIT-1。正常情况下，是要等待第二次挥手的ACK。但实际上却等来了一个第一次挥手的 FIN包，这时候连接状态就会变为CLOSING。

// net/
static void tcp_fin(struct sock *sk)
{
    switch (sk->sk_state) {
    case TCP_FIN_WAIT1:
        tcp_send_ack(sk);
    // FIN-WAIT-1状态下，收到了FIN，转为 CLOSING
        tcp_set_state(sk, TCP_CLOSING);
        break;
    }
}

这可以说是隐藏剧情了。

CLOSING 很少见，除了出现在自连接关闭外，一般还会出现在TCP两端同时关闭连接的情况下。

处于CLOSING状态下时，只要再收到一个ACK，就能进入 TIME-WAIT 状态，然后等个2MSL，连接就彻底断开了。这跟正常的四次挥手还是有些差别的。大家可以滑到文章开头的TCP四次挥手再对比下。

代码复现自连接

可能大家会产生怀疑，这是不是nc这个软件本身的bug。

那我们可以尝试下用strace看看它内部都做了啥。

# strace nc -p 6666 127.0.0.1 6666
// ...
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
fcntl(3, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
fcntl(3, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
bind(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(6666), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(6666), sin_addr=inet_addr("127.0.0.1")}, 16) = -1 EINPROGRESS (Operation now in progress)
// ...

无非就是以创建了一个客户端socket句柄，然后对这个句柄执行 bind, 绑定它的端口号是6666，然后再向 127.0.0.1:6666发起connect方法。

我们可以尝试用C语言去复现一遍。

下面的代码，只用于复现问题。直接跳过也完全不影响阅读。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
int main()
{
    int lfd, cfd;
    struct sockaddr_in serv_addr, clie_addr;
    socklen_t clie_addr_len;
    char buf[BUFSIZ];
    int n = 0, i = 0, ret = 0 ;
    printf("This is a client \n");
    /*Step 1: 创建客户端端socket描述符cfd*/    
    cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(cfd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }
    int flag=1,len=sizeof(int);
    if( setsockopt(cfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) == -1)
    {
        perror("setsockopt");
        exit(1);
    } 
    bzero(&clie_addr, sizeof(clie_addr));
    clie_addr.sin_family = AF_INET;
    clie_addr.sin_port = htons(6666);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1", &clie_addr.sin_addr.s_addr);
    /*Step 2: 客户端使用bind绑定客户端的IP和端口*/  
    ret = bind(cfd, (struct sockaddr* )&clie_addr, sizeof(clie_addr));
    if(ret != 0)
    {
        perror("bind error");
        exit(2);
    }
    /*Step 3: connect链接服务器端的IP和端口号*/    
    bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(6666);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    ret = connect(cfd,(struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if(ret != 0)
    {
        perror("connect error");
        exit(3);
    }
    /*Step 4: 向服务器端写数据*/
    while(1)
    {
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        write(cfd, buf, strlen(buf));
        n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);//写到屏幕上
    }
    /*Step 5: 关闭socket描述符*/
    close(cfd);
    return 0;
}

保存为 client.c 文件，然后执行下面命令，会发现连接成功。

# gcc client.c -o client && ./client
This is a client

netstat -nt | grep 6666

tcp 0 0 127.0.0.1:6666 127.0.0.1:6666 ESTABLISHED

说明，这不是nc的bug。事实上，这也是内核允许的一种情况。

#### 自连接的解决方案
自连接一般不太常见，但遇到了也不难解决。
解决方案比较简单，只要能保证客户端和服务端的端口不一致就行。
事实上，我们写代码的时候一般不会去指定客户端的端口，系统会随机给客户端分配某个范围内的端口。而这个范围，可以通过下面的命令进行查询

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

32768 60999

也就是只要我们的服务器端口不在`32768-60999`这个范围内，比如设置为`8888`。就可以规避掉这个问题。
另外一个解决方案，可以参考`golang`标准网络库的实现，在连接建立完成之后判断下IP和端口是否一致，如果遇到自连接，则断开重试。

func dialTCP(net string, laddr, raddr *TCPAddr, deadline time.Time) (*TCPConn, error) { // 如果是自连接，这里会重试 for i := 0; i < 2 && (laddr == nil || laddr.Port == 0) && (selfConnect(fd, err) || spuriousENOTAVAIL(err)); i++ { if err == nil { fd.Close() } fd, err = internetSocket(net, laddr, raddr, deadline, syscall.SOCK_STREAM, 0, "dial", sockaddrToTCP) } // ... }

func selfConnect(fd *netFD, err error) bool { // 判断是否端口、IP一致 return l.Port == r.Port && l.IP.Equal(r.IP) }

四次握手
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前面提到的`TCP`自连接是一个客户端自己连自己的场景。那不同客户端之间是否可以互联？
答案是**可以的**，有一种情况叫**TCP同时打开**。
![图片](https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/AnAgeMhDIian6HJics3mtJEayjn3gtKefbXlteXPkmIriaCVRXxmmVDHCB1DZLpMQllesqrWPMMMxtPOOd4WgdkWw/640?wx_fmt=png "TCP同时打开")
TCP同时打开
大家可以对比下，**TCP同时打开**在握手时的状态变化，跟TCP自连接是非常的像。
比如`SYN_SENT`状态下，又收到了一个`SYN`，其实就相当于自连接里，在发出了第一次握手后，又收到了第一次握手的请求。结果都是变成 `SYN_RCVD`。
在 `SYN_RCVD` 状态下收到了 `SYN+ACK`，就相当于自连接里，在发出第二次握手后，又收到第二次握手的请求，结果都是变成 `ESTABLISHED`。**他们的源码其实都是同一块逻辑。**

#### 复现TCP同时打开
分别在**两个控制台**下，分别执行下面两行命令。

while true; do nc -p 2224 127.0.0.1 2223 -v;done

while true; do nc -p 2223 127.0.0.1 2224 -v;done

上面两个命令的含义也比较简单，两个客户端互相请求连接对方的端口号，如果失败了则不停重试。
执行后看到的现象是，一开始会疯狂失败，重试。一段时间后，连接建立完成。

netstat -an | grep 2223

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State tcp 0 0 127.0.0.1:2224 127.0.0.1:2223 ESTABLISHED tcp 0 0 127.0.0.1:2223 127.0.0.1:2224 ESTABLISHED

期间抓包获得下面的结果。

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