《Linux高性能服务器编程》——3.4 TCP状态转移

简介: 本节书摘来自华章计算机《Linux高性能服务器编程》一书中的第3章,第3.4节,作者 游双,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.4 TCP状态转移

TCP连接的任意一端在任一时刻都处于某种状态,当前状态可以通过netstat命令(见第17章)查看。本节我们要讨论的是TCP连接从建立到关闭的整个过程中通信两端状态的变化。图3-8是完整的状态转移图,它描绘了所有的TCP状态以及可能的状态转换。

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图3-8中的粗虚线表示典型的服务器端连接的状态转移;粗实线表示典型的客户端连接的状态转移。CLOSED是一个假想的起始点,并不是一个实际的状态。

3.4.1 TCP状态转移总图

我们先讨论服务器的典型状态转移过程,此时我们说的连接状态都是指该连接的服务器端的状态。

服务器通过listen系统调用(见第5章)进入LISTEN状态,被动等待客户端连接,因此执行的是所谓的被动打开。服务器一旦监听到某个连接请求(收到同步报文段),就将该连接放入内核等待队列中,并向客户端发送带SYN标志的确认报文段。此时该连接处于SYN_RCVD状态。如果服务器成功地接收到客户端发送回的确认报文段,则该连接转移到ESTABLISHED状态。ESTABLISHED状态是连接双方能够进行双向数据传输的状态。

当客户端主动关闭连接时(通过close或shutdown系统调用向服务器发送结束报文段),服务器通过返回确认报文段使连接进入CLOSE_WAIT状态。这个状态的含义很明确:等待服务器应用程序关闭连接。通常,服务器检测到客户端关闭连接后,也会立即给客户端发送一个结束报文段来关闭连接。这将使连接转移到LAST_ACK状态,以等待客户端对结束报文段的最后一次确认。一旦确认完成,连接就彻底关闭了。

下面讨论客户端的典型状态转移过程,此时我们说的连接状态都是指该连接的客户端的状态。

客户端通过connect系统调用(见第5章)主动与服务器建立连接。connect系统调用首先给服务器发送一个同步报文段,使连接转移到SYN_SENT状态。此后,connect系统调用可能因为如下两个原因失败返回:

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connect调用失败将使连接立即返回到初始的CLOSED状态。如果客户端成功收到服务器的同步报文段和确认,则connect调用成功返回,连接转移至ESTABLISHED状态。

当客户端执行主动关闭时,它将向服务器发送一个结束报文段,同时连接进入FIN_WAIT_1状态。若此时客户端收到服务器专门用于确认目的的确认报文段(比如图3-6中的TCP报文段5),则连接转移至FIN_WAIT_2状态。当客户端处于FIN_WAIT_2状态时,服务器处于CLOSE_WAIT状态,这一对状态是可能发生半关闭的状态。此时如果服务器也关闭连接(发送结束报文段),则客户端将给予确认并进入TIME_WAIT状态。关于TIME_WAIT状态的含义,我们将在下一节讨论。

图3-8还给出了客户端从FIN_WAIT_1状态直接进入TIME_WAIT状态的一条线路(不经过FIN_WAIT_2状态),前提是处于FIN_WAIT_1状态的服务器直接收到带确认信息的结束报文段(而不是先收到确认报文段,再收到结束报文段)。这种情况对应于图3-6中的服务器不发送TCP报文段5。

前面说过,处于FIN_WAIT_2状态的客户端需要等待服务器发送结束报文段,才能转移至TIME_WAIT状态,否则它将一直停留在这个状态。如果不是为了在半关闭状态下继续接收数据,连接长时间地停留在FIN_WAIT_2状态并无益处。连接停留在FIN_WAIT_2状态的情况可能发生在:客户端执行半关闭后,未等服务器关闭连接就强行退出了。此时客户端连接由内核来接管,可称之为孤儿连接(和孤儿进程类似)。Linux为了防止孤儿连接长时间存留在内核中,定义了两个内核变量:/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_orphans和/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout。前者指定内核能接管的孤儿连接数目,后者指定孤儿连接在内核中生存的时间。

至此,我们简单地讨论了服务器和客户端程序的典型TCP状态转移路线。对应于图3-6所示的TCP连接的建立与断开过程,客户端和服务器的状态转移如图3-9所示。

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图3-8还描绘了其他非典型的TCP状态转移路线,比如同时关闭与同时打开,本书不予讨论。

3.4.2 TIME_WAIT状态

从图3-9来看,客户端连接在收到服务器的结束报文段(TCP报文段6)之后,并没有直接进入CLOSED状态,而是转移到TIME_WAIT状态。在这个状态,客户端连接要等待一段长为2MSL(Maximum Segment Life,报文段最大生存时间)的时间,才能完全关闭。MSL是TCP报文段在网络中的最大生存时间,标准文档RFC 1122的建议值是2?min。

TIME_WAIT状态存在的原因有两点:

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第一个原因很好理解。假设图3-9中用于确认服务器结束报文段6的TCP报文段7丢失,那么服务器将重发结束报文段。因此客户端需要停留在某个状态以处理重复收到的结束报文段(即向服务器发送确认报文段)。否则,客户端将以复位报文段来回应服务器,服务器则认为这是一个错误,因为它期望的是一个像TCP报文段7那样的确认报文段。

在Linux系统上,一个TCP端口不能被同时打开多次(两次及以上)。当一个TCP连接处于TIME_WAIT状态时,我们将无法立即使用该连接占用着的端口来建立一个新连接。反过来思考,如果不存在TIME_WAIT状态,则应用程序能够立即建立一个和刚关闭的连接相似的连接(这里说的相似,是指它们具有相同的IP地址和端口号)。这个新的、和原来相似的连接被称为原来的连接的化身(incarnation)。新的化身可能接收到属于原来的连接的、携带应用程序数据的TCP报文段(迟到的报文段),这显然是不应该发生的。这就是TIME_WAIT状态存在的第二个原因。

另外,因为TCP报文段的最大生存时间是MSL,所以坚持2MSL时间的TIME_WAIT状态能够确保网络上两个传输方向上尚未被接收到的、迟到的TCP报文段都已经消失(被中转路由器丢弃)。因此,一个连接的新的化身可以在2MSL时间之后安全地建立,而绝对不会接收到属于原来连接的应用程序数据,这就是TIME_WAIT状态要持续2MSL时间的原因。

有时候我们希望避免TIME_WAIT状态,因为当程序退出后,我们希望能够立即重启它。但由于处在TIME_WAIT状态的连接还占用着端口,程序将无法启动(直到2MSL超时时间结束)。考虑一个例子:在测试机器ernest-laptop上以客户端方式运行nc(用于创建网络连接的工具,见第17章)命令,登录本机的Web服务,且明确指定客户端使用12345端口与服务器通信。然后从终端输入Ctrl+C终止客户端程序,接着又立即重启nc程序,以完全相同的方式再次连接本机的Web服务。具体操作如下:

$ nc –p 12345 192.168.1.108 80
ctrl+C                      # 中断客户端程序
$ nc –p 12345 192.168.1.108 80        #重启客户端程序,重新建立连接
nc: bind failed: Address already in use    #输出显示连接失败,因为12345端口仍被占用
$ netstat –nat                #用netstat命令查看连接状态
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address        State
tcp        0      0 192.168.1.108:12345     192.168.1.108:80     TIME_WAIT

这里我们使用netstat命令查看连接的状态。其输出显示,客户端程序被中断后,连接进入TIME_WAIT状态,12345端口仍被占用,所以客户端重启失败。

对客户端程序来说,我们通常不用担心上面描述的重启问题。因为客户端一般使用系统自动分配的临时端口号来建立连接,而由于随机性,临时端口号一般和程序上一次使用的端口号(还处于TIME_WAIT状态的那个连接使用的端口号)不同,所以客户端程序一般可以立即重启。上面的例子仅仅是为了说明问题,我们强制客户端使用12345端口,这才导致立即重启客户端程序失败。

但如果是服务器主动关闭连接后异常终止,则因为它总是使用同一个知名服务端口号,所以连接的TIME_WAIT状态将导致它不能立即重启。不过,我们可以通过socket选项SO_REUSEADDR来强制进程立即使用处于TIME_WAIT状态的连接占用的端口,这将在第5章讨论。

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