TCP?才不傻！

大家好，我是小林。

之前收到個(gè)讀者的問題，對于 TCP 三次握手和四次揮手的一些疑問：

• 第一次握手，如果客戶端發(fā)送的SYN一直都傳不到被服務(wù)器，那么客戶端是一直重發(fā)SYN到永久嗎？客戶端停止重發(fā)SYN的時(shí)機(jī)是什么？

• 第三次握手，如果服務(wù)器永遠(yuǎn)不會收到ACK，服務(wù)器就永遠(yuǎn)都留在 Syn-Recv 狀態(tài)了嗎？退出此狀態(tài)的時(shí)機(jī)是什么？

• 第三次揮手，如果客戶端永遠(yuǎn)收不到 FIN,ACK，客戶端永遠(yuǎn)停留在 Fin-Wait-2狀態(tài)了嗎？退出此狀態(tài)時(shí)機(jī)是什么時(shí)候呢？

• 第四次揮手，如果服務(wù)器永遠(yuǎn)收不到 ACK，服務(wù)器永遠(yuǎn)停留在 Last-Ack 狀態(tài)了嗎？退出此狀態(tài)的時(shí)機(jī)是什么呢？

• 如果客戶端 在 2SML內(nèi)依舊沒收到 FIN,ACK，會關(guān)閉鏈接嗎？服務(wù)器那邊怎么辦呢，是怎么關(guān)閉鏈接的呢？

可以看到，這些問題都是關(guān)于 TCP 是如何處理這些異常場景的，我們在學(xué) TCP 連接建立和斷開的時(shí)候，總是以為這些過程能如期完成。可惜理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，事實(shí)預(yù)料呀。TCP 當(dāng)然不傻，對以上這些異常場景都是有做處理的。這些內(nèi)容在我的「圖解網(wǎng)絡(luò) PDF」 也有說過。當(dāng)時(shí)也用做實(shí)驗(yàn)的方式帶大家看 TCP 是如何處理這些異常場景的。

如果新讀者還不知道小林的圖解網(wǎng)絡(luò) PDF，可以到我公眾號后臺回復(fù)「圖解」獲取就行。

不過，當(dāng)時(shí)這些知識分散到了多個(gè)章節(jié)，這次就針對讀者問的這一系列問題，來詳細(xì)說說 TCP 是怎么處理這些異常的？這些異常場景共分為兩大類，第一類是 TCP 三次握手期間的異常，第二類是 TCP 四次揮手期間的異常。

TCP 三次握手期間的異常

我們先來看看 TCP 三次握手是怎樣的。

第一次握手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)客戶端想和服務(wù)端建立 TCP 連接的時(shí)候，首先第一個(gè)發(fā)的就是 SYN 報(bào)文，然后進(jìn)入到 SYN_SENT 狀態(tài)。在這之后，如果客戶端遲遲收不到服務(wù)端的 SYN-ACK 報(bào)文（第二次握手），就會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制。不同版本的操作系統(tǒng)可能超時(shí)時(shí)間不同，有的 1 秒的，也有 3 秒的，這個(gè)超時(shí)時(shí)間是寫死在內(nèi)核里的，如果想要更改則需要重新編譯內(nèi)核，比較麻煩。當(dāng)客戶端在 1 秒后沒收到服務(wù)端的 SYN-ACK 報(bào)文后，客戶端就會重發(fā) SYN 報(bào)文，那到底重發(fā)幾次呢？在 Linux 里，客戶端的 SYN 報(bào)文最大重傳次數(shù)由 tcp_syn_retries內(nèi)核參數(shù)控制，這個(gè)參數(shù)是可以自定義的，默認(rèn)值一般是 5。通常，第一次超時(shí)重傳是在 1 秒后，第二次超時(shí)重傳是在 2 秒，第三次超時(shí)重傳是在 4 秒后，第四次超時(shí)重傳是在 8 秒后，第五次是在超時(shí)重傳 16 秒后。沒錯(cuò)，每次超時(shí)的時(shí)間是上一次的 2 倍。當(dāng)?shù)谖宕纬瑫r(shí)重傳后，會繼續(xù)等待 32 秒，如果服務(wù)端仍然沒有回應(yīng) ACK，客戶端就不再發(fā)送 SYN 包，然后斷開 TCP 連接。所以，總耗時(shí)是 1 2 4 8 16 32=63 秒，大約 1 分鐘左右。

第二次握手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)服務(wù)端收到客戶端的第一次握手后，就會回 SYN-ACK 報(bào)文給客戶端，這個(gè)就是第二次握手，此時(shí)服務(wù)端會進(jìn)入 SYN_RCVD 狀態(tài)。第二次握手的 SYN-ACK 報(bào)文其實(shí)有兩個(gè)目的 ：

• 第二次握手里的 ACK， 是對第一次握手的確認(rèn)報(bào)文；

• 第二次握手里的 SYN，是服務(wù)端發(fā)起建立 TCP 連接的報(bào)文；

所以，如果第二次握手丟了，就會發(fā)送比較有意思的事情，具體會怎么樣呢？因?yàn)榈诙挝帐謭?bào)文里是包含對客戶端的第一次握手的 ACK 確認(rèn)報(bào)文，所以，如果客戶端遲遲沒有收到第二次握手，那么客戶端就覺得可能自己的 SYN 報(bào)文（第一次握手）丟失了，于是客戶端就會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制，重傳 SYN 報(bào)文。然后，因?yàn)榈诙挝帐种邪?wù)端的 SYN 報(bào)文，所以當(dāng)客戶端收到后，需要給服務(wù)端發(fā)送 ACK 確認(rèn)報(bào)文（第三次握手），服務(wù)端才會認(rèn)為該 SYN 報(bào)文被客戶端收到了。那么，如果第二次握手丟失了，服務(wù)端就收不到第三次握手，于是服務(wù)端這邊會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制，重傳 SYN-ACK 報(bào)文。在 Linux 下，SYN-ACK 報(bào)文的最大重傳次數(shù)由 tcp_synack_retries內(nèi)核參數(shù)決定，默認(rèn)值是 5。因此，當(dāng)?shù)诙挝帐謥G失了，客戶端和服務(wù)端都會重傳：

• 客戶端會重傳 SYN 報(bào)文，也就是第一次握手，最大重傳次數(shù)由 tcp_syn_retries內(nèi)核參數(shù)決定。；

• 服務(wù)端會重傳 SYN-AKC 報(bào)文，也就是第二次握手，最大重傳次數(shù)由 tcp_synack_retries ?內(nèi)核參數(shù)決定。

第三次握手丟失了，會發(fā)生什么？

客戶端收到服務(wù)端的 SYN-ACK 報(bào)文后，就會給服務(wù)端回一個(gè) ACK 報(bào)文，也就是第三次握手，此時(shí)客戶端狀態(tài)進(jìn)入到 ESTABLISH 狀態(tài)。因?yàn)檫@個(gè)第三次握手的 ACK 是對第二次握手的 SYN 的確認(rèn)報(bào)文，所以當(dāng)?shù)谌挝帐謥G失了，如果服務(wù)端那一方遲遲收不到這個(gè)確認(rèn)報(bào)文，就會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制，重傳 SYN-ACK 報(bào)文，直到收到第三次握手，或者達(dá)到最大重傳次數(shù)。注意，ACK 報(bào)文是不會有重傳的，當(dāng) ACK 丟失了，就由對方重傳對應(yīng)的報(bào)文。

TCP 四次揮手期間的異常

我們再來看看 TCP 四次揮手的過程。

第一次揮手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)客戶端（主動(dòng)關(guān)閉方）調(diào)用 close 函數(shù)后，就會向服務(wù)端發(fā)送 FIN 報(bào)文，試圖與服務(wù)端斷開連接，此時(shí)客戶端的連接進(jìn)入到 FIN_WAIT_1 狀態(tài)。正常情況下，如果能及時(shí)收到服務(wù)端（被動(dòng)關(guān)閉方）的 ACK，則會很快變?yōu)?FIN_WAIT2 狀態(tài)。如果第一次揮手丟失了，那么客戶端遲遲收不到被動(dòng)方的 ACK 的話，也就會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制，重傳 FIN 報(bào)文，重發(fā)次數(shù)由 tcp_orphan_retries 參數(shù)控制。當(dāng)客戶端重傳 FIN 報(bào)文的次數(shù)超過 tcp_orphan_retries ?后，就不再發(fā)送 FIN 報(bào)文，直接進(jìn)入到 close 狀態(tài)。

第二次揮手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)服務(wù)端收到客戶端的第一次揮手后，就會先回一個(gè) ACK 確認(rèn)報(bào)文，此時(shí)服務(wù)端的連接進(jìn)入到 CLOSE_WAIT 狀態(tài)。在前面我們也提了，ACK 報(bào)文是不會重傳的，所以如果服務(wù)端的第二次揮手丟失了，客戶端就會觸發(fā)超時(shí)重傳機(jī)制，重傳 FIN 報(bào)文，直到收到服務(wù)端的第二次揮手，或者達(dá)到最大的重傳次數(shù)。這里提一下，當(dāng)客戶端收到第二次揮手，也就是收到服務(wù)端發(fā)送的 ACK 報(bào)文后，客戶端就會處于 FIN_WAIT2 狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)需要等服務(wù)端發(fā)送第三次揮手，也就是服務(wù)端的 FIN 報(bào)文。對于 close 函數(shù)關(guān)閉的連接，由于無法再發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，所以FIN_WAIT2 狀態(tài)不可以持續(xù)太久，而 ?tcp_fin_timeout 控制了這個(gè)狀態(tài)下連接的持續(xù)時(shí)長，默認(rèn)值是 60 秒。這意味著對于調(diào)用 close 關(guān)閉的連接，如果在 60 秒后還沒有收到 FIN 報(bào)文，客戶端（主動(dòng)關(guān)閉方）的連接就會直接關(guān)閉。

第三次揮手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)服務(wù)端（被動(dòng)關(guān)閉方）收到客戶端（主動(dòng)關(guān)閉方）的 FIN 報(bào)文后，內(nèi)核會自動(dòng)回復(fù) ACK，同時(shí)連接處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，顧名思義，它表示等待應(yīng)用進(jìn)程調(diào)用 close 函數(shù)關(guān)閉連接。此時(shí)，內(nèi)核是沒有權(quán)利替代進(jìn)程關(guān)閉連接，必須由進(jìn)程主動(dòng)調(diào)用 close 函數(shù)來觸發(fā)服務(wù)端發(fā)送 FIN 報(bào)文。服務(wù)端處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)時(shí)，調(diào)用了 close 函數(shù)，內(nèi)核就會發(fā)出 FIN 報(bào)文，同時(shí)連接進(jìn)入 LAST_ACK 狀態(tài)，等待客戶端返回 ACK 來確認(rèn)連接關(guān)閉。如果遲遲收不到這個(gè) ACK，服務(wù)端就會重發(fā) FIN 報(bào)文，重發(fā)次數(shù)仍然由 tcp_orphan_retries 參數(shù)控制，這與客戶端重發(fā) FIN 報(bào)文的重傳次數(shù)控制方式是一樣的。

第四次揮手丟失了，會發(fā)生什么？

當(dāng)客戶端收到服務(wù)端的第三次揮手的 FIN 報(bào)文后，就會回 ACK 報(bào)文，也就是第四次揮手，此時(shí)客戶端連接進(jìn)入 TIME_WAIT 狀態(tài)。在 Linux 系統(tǒng)，TIME_WAIT 狀態(tài)會持續(xù) 60 秒后才會進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。然后，服務(wù)端（被動(dòng)關(guān)閉方）沒有收到 ACK 報(bào)文前，還是處于 LAST_ACK 狀態(tài)。如果第四次揮手的 ACK 報(bào)文沒有到達(dá)服務(wù)端，服務(wù)端就會重發(fā) FIN 報(bào)文，重發(fā)次數(shù)仍然由前面介紹過的 tcp_orphan_retries 參數(shù)控制。是吧，TCP 聰明著很！