TCP连接的状态转移

摘自：《深入理解计算机网络》 王达著 机械工业出版社
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TCP状态转移

在TCP的套接字那一篇博客中，我们知道TCP Socket 服务原语只有8个。比 OSI/RM 体系结构中定义的传输层服务原语还少，但是在这8中 TCP Socket 服务原语中，有的原语又可以有不同的状态，如下表所示。我们把在 TCP 传输连接的建立和释放过程中的通信双方主机的这些状态称为“有限状态机（Finite State Machine， FSN）”。下面具体阐述一下在 TCP 传输连接建立、释放过程中的这些原语状态的变化。

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状态 描述 CLOSED 呈阻塞、关闭状态，表示主机当前没有活动的传输连接或正在传输连接 LISTEN 呈监听状态，表示服务器正在等待新的传输连接进入 SYN RCVD 表示主机已收到一个传输连接请求，但未确认 SYN SEND 表示主机已经发出一个传输连接请求，等待对方确认 ESTABLISHED 传输连接建立，通信双方进入正常数据传输状态 FIN WAIT 1 （主动关闭）主机已经发送关闭连接请求，等待对方确认 FIN WAIT 2 （主动关闭）主机已经收到对方关闭传输连接确认，等待对方发送关闭传输连接请求 TIMED WAIT 完成双向传输连接关闭，等待所有分组消失 CLOSING 双方同时尝试关闭传输连接，并已确认 CLOSE WAIT （被动关闭）收到对方发来的关闭传输连接请求，并已确认 LAST ACK （被动关闭）等待最后一个关闭传输连接确认，并等待所有分组消失

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下图描述了TCP通信主机在传输连接建立和释放过程中的各种有限状态机，方框中表示的是通信主机在不同时期的状态，箭头表示状态之间的转换，旁边的注释表示状态转换过程中所需进行的动作（包括调用 Socket 服务原语以及 TCP 数据段的发送和接收等）。下图中用粗线表示客户端主动和被动的服务器连接建立的正常过程，其中客户端的状态转移用带箭头的粗实线表示，服务器端的状态转换用带箭头的粗虚线表示。带箭头的细线表示一些不常见的事件，如复位、同事打开、同事关闭等。

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TCP传输连接有限状态机转换流程

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每个连接均开始于 CLOSED 状态。当一方执行了被动的连接原语（LISTEN）或主动连接原语（CONNECT）时，它便会离开CLOSED状态。如果此时另一方执行了相对应的连接原语，连接便建立了，并且状态会变为（ESTABLISHED）。任何一方局可以首先请求释放连接，连接释放后，状态又回到了 CLOSED 。

我们来仔细研究一下客户端和服务器各自的状态转移流程，我们先沿着带箭头的粗实线路径来看客户端的状态转移过程，然后再沿着带箭头的虚实线路径来看服务器的状态转移过程。

• 一开始，服务器应用层首先调用 LISTEN 原语从 CLOSED 状态进入被动打开状态 （LISTEN），等待客户端连接。
• 当客户端的一个应用程序调用 CONNECT 原语后，本地的TCP实体为其建立一个连接记录并标记为 SYN SENT状态，然后给服务器发送一个SYN数据段（SYN字段置1）。这是TCP传输连接的第一次握手。
• 服务器在收到一个客户端的SYN数据段后，其TCP实体向客户端发送确认ACK数据段（ACK字段置1），同时发送一个SYN数据段（SYN字段置1，表示接受同步请求），进入 SYN REVD 状态。这是TCP传输连接的第二次握手。

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说明：这里可能有一个非正常事件发生，那就是如果此时服务器不想建立传输连接，那么由其应用层调用 CLOSE 原语，向客户端发送一个 FIN 数据段（FIN字段值置1），然后进入 FIN WAIT 1 状态，等待客户端确认。当客户端收到服务器发来的 FIN 数据段后，向服务器发送一个 ACK 确认数据段后进入到 CLOSING 状态，表示双方同时尝试关闭传输连接，等待双方确认。在服务器收到客户端发来的 ACK 数据段后即进入到 TIMED WAIT 状态，在超时后双方立即关闭连接。这是一种突发、非正常的连接关闭事件。

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• 客户端在收到服务器发来的 SYN 和 ACK 数据段后，其 TCP 实体给服务器端发送一个 ACK 数据段，并进入 ESTABLISH 状态。这是TCP连接的第三次握手。
• 服务器在收到来自客户端的ACK确认数据段后，完成整个TCP传输连接的全部三次握手过程，也进入 ESTABLISHED。

此时双方可以自由进行数据传输了。当一个应用程序完成数据传输后，它需要关闭TCP连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。

• 客户端应用层调用 CLOSE 原语，本地的TCP实体发送一个 FIN 数据段（FIN字段值置1），并等待服务器的确认响应，进入 FIN WAIT 1 状态。

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说明：这里有可能有一个非正常的事件发生，那就是客户端在 FIN WAIT 1 状态收到服务器的 FIN 和ACK 数据段后（而不是像从 FIN WAIT 2 状态进入那样只收到服务器的ACK确认数据段），向服务器发送一个 ACK 数据段，直接就进入到 TIMED WAIT 状态。在超时后双方即关闭连接。

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• 服务器在收到客户端的 FIN 数据段之后，它给客户端返回一个ACK数据段（ACK字段值为1），进入 CLOSING WAIT 状态。
• 客户端收到来自服务器的ACK确认字段后，进入 FIN WAIT 2 状态，此时连接在一个方向上就断开了，但仍可以接收到服务器端发来的数据段。
• 当服务器收到客户端发来的 FIN 数据段时就知道客户端已有数据发送了，在本端已接受完全部数据后，也由应用层调用 CLOSE 原语，请求关闭另一个方向的连接，其本地 TCP 实体向客户端发送一个 FIN 数据段，并进入 LAST ACK 状态，等待最后一个 ACK 确认数据段。
• 在客户端收到来自服务器的 FIN 数据段后，向服务器发送最后一个 ACK 确认数据段，进入LAST ACK 状态，等待最后一个 ACK 确认数据段。
• 在客户端收到来自服务器的 FIN 数据段后，向服务器发送最后一个 ACK 确认数据段，进入 TIMED WAIT 状态。此时，双方连接均已断开，但 TCP 实体仍要等待一个2倍数据段 MSL （Maximum Segment Lifetime）最大生命时间，以确保该连接的所有分组消失，以防出现确认丢失的情况。当定时器超时后，TCP 删除该连接记录，返回到初始状态 （CLOSED）。
• 服务器收到客户端最后一个 ACK 确认数据之后，其 TCP 实体便释放该连接，并删除连接记录，以返回到初始状态（CLOSED）。