1. TCP连接：

TCP是基于连接的传输协议，TCP的可靠传输需要建立在一对一的连接的基础之上。

TCP通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接。


三次握手不仅完成连接的建立，同时完成了交换初始序列号（Initial Sequence Number，ISN）。


通常关闭连接是由应用程序发起（调用close），然而一些服务器（例如Web服务器）在对请求作出响应之后也会发起关闭操作。

TCP使用一个四元组来唯一的表示一条TCP连接（source_ip、dest_ip、source_port、dest_port）。

2. TCP头部格式：

3. TCP连接的11种状态转换：

4. TCP三次握手过程中的状态转换：

第一种情况：正常打开
第二种情况：同时打开
第三种情况：连接建立超时 或 RST复位

4.1 第一种情况：正常打开：

握手过程：

对应的TCP状态转换：

4.2 第二种情况：同时打开：

说明：


关键点：


在 SYN_SENT 状态下收到 SYN报文段，而不是 SYN+ACK 报文段


“同时打开”与“正常连接”过程的区别在于：

① 正常过程中，主动打开一方发送SYN后进入SYN_SENT状态，此时等待被动打开一方回复SYN+ACK，主动打开一方在收到回复后转入ESTABLISHED：

SYN_SENT  --(SYN+ACK)-->  ESTABLISHED

② “同时打开”过程中，主动打开一方发送SYN后进入SYN_SENT状态，在SYN_SENT状态下并未等来被动打开一方的SYN+ACK，而是只有一个单独的SYN，由此判断对方也调用了主动打开，主动打开一方此时进入SYN_RCVD状态（相当于在LISTEN状态下收到SYN）：

SYN_SENT  --(SYN)-->  SYN_RCVD

TIPS：


“同时打开”是一种非常特殊的场景，正常环境下，服务器是不会主动向客户端发起连接的。

“同时打开”是TCP协议栈支持的情况，如果应用程序要支持“同时打开”，则必须在代码中既调用connect（发起SYN），又调用accept（连接建立后创建关联连接的fd），既是一个“客户端”，也是一个“服务器”。

握手过程：

对应的TCP状态转换图：

4.3 第三种情况：连接建立超时 或 RST复位：

说明：


主动打开方（客户端）发出的 SYN 报文段石沉大海，无人响应，当SYN达到最大重传次数（net.ipv4.tcp_syn_retries）后，则会连接超时，TCP状态从 SYN_SENT 状态重新传入 CLOSED 状态；

或者，客户端调用 connect 发起连接后又迅速调用了 close，TCP状态也会重新转入 CLOSED状态。

（注意：这种情况是SYN报文段根本无人接收，导致客户端收不到任何关于SYN的响应。例如服务器已经关闭。）

另外一种情况，是服务器收到了客户端的 SYN 报文段，但连接信息有误，例如申请连接的端口号无人监听，此时会回复 RST 复位报文段，用于快速重置连接。

//client:
CLOSED -->  SYN_SENT  --(SYN timeout || close || RST)-->  CLOSED

同样的，服务端发出的 SYN+ACK 报文段同样有可能会因达到最大重传次数而超时（net.ipv4.tcp_synack_retries），此时服务器状态会由 SYN_RCVD 重新转回 LISTEN 状态。

//server:
CLOSED -->  LISTEN  -->  SYN_RCVD  --(SYN+ACK timeout || close || RST)-->  LISTEN

对应的TCP状态转换图：

5. TCP四次挥手过程中的状态转换：

第一种情况：正常关闭
第二种情况：同时关闭
第三种情况：四次挥手合并成三次挥手

5.1 第一种情况：正常关闭：

挥手过程：

对应的TCP状态转换图：

5.2 第二种情况：同时关闭：

说明：


关键点：


在 FIN_WAIT_1 状态下收到 FIN报文段，而不是ACK报文段


“同时关闭”与“正常关闭”过程的区别在于：

① 在 正常关闭 的过程中，主动发起关闭的一方在发送 FIN报文段后，由 ESTABLISHED 状态进入到 FIN_WAIT_1 状态，并等待对方回复ACK，在收到ACK后随即转入 FIN_WAIT_2 状态：

//client:
ESTABLISHED  --(FIN)-->  FIN_WAIT_1  --(rcv ACK)-->  FIN_WAIT_2

② 在 同时关闭 的过程中，主动发起关闭的一方 FIN_WAIT_1 状态下并未收到 ACK报文段，而是收到了对方的FIN，说明对方也主动调用了close关闭连接，此时则由 FIN_WAIT_1 状态转入 CLOSING 状态，并回复ACK：

//client:
ESTABLISHED  --(FIN)-->  FIN_WAIT_1  --(rcv FIN)-->  CLOSING

TIPS：


在“同时关闭”的过程中引入了一个独有的TCP状态：

CLOSING

。

在“同时打开”的场景下并未引入新的TCP状态，而是直接复用了 SYN_RCVD（由 SYN_SENT 转入 SYN_RCVD，而非转入ESTABLISHED），这是因为SYN_RCVD有“回复ACK并等待对方回复ACK”的功能，而在连接“正常关闭”的流程中并没有这样的一个状态，因此引入“CLOSING”状态，用于“回复ACK并等待ACK”。

另外需要注意的是：在“同时关闭”的场景下同样需要 TIME_WAIT 状态。

挥手过程：

对应的TCP状态转换图：

5.3 第三种情况：四次挥手合并成三次挥手：

说明：


四次挥手中的FIN和ACK可能会合并发送，此时主动关闭的一方会直接从 FIN_WAIT_1 状态转入 TIME_WAIT 状态：

FIN_WAIT_1  --(rcv FIN+ACK)-->  TIME_WAIT

注意：


在服务器端（被动关闭一方），

应用程序层面并不会合并发送 FIN + ACK

，应用程序需要处理客户端的FIN并首先回复ACK，然后才会检测本端无数据需要发送后才会发送FIN。

但是

在内核协议栈层面，可能会有ACK延迟确认，导致ACK等到FIN后合并发送

。

挥手过程：

对应的TCP状态转换图：

6. TCP连接状态下的异常处理：

6.1 TCP处于连接状态下的两种异常：

1. 应用进程异常退出；
2. 主机系统异常退出。

• 对于第一类
  
  应用进程异常退出
  
  （例如进程被kill掉 或者 访问空指针等运行异常退出），
  
  Linux内核可以检测到进程终止
  
  ，此时进程占用的系统资源（fd、内存等）都会被回收，同时内核会完成TCP的四次挥手流程（TCP协议栈是在内核实现的），但与进程正常调用close关闭连接不同的是，进程异常退出时系统不会等待TCP发送缓冲区的数据全部发完，而是会直接发送FIN报文段，通知对端关闭TCP连接。
• 对于第二类情况
  
  主机系统异常退出
  
  （例如主机宕机 或者 网线被拔），此时内核一并挂掉，来不及进入TCP四次挥手流程，所以对端是无法感知到发送端的情况的，对端只能等到TCP保活机制超时后断开连接（默认配置下2小时11分钟）。如果主机迅速恢复或者重新插上网线，连接会恢复到异常之前的状态，对端同样无法感知。

6.2 进程异常退出与TIME_WAIT处理：

当TCP连接中的服务端进程异常退出时，

Linux内核可以检测到进程崩溃

，此时内核会自动进入四次挥手流程关闭与客户端之间的连接。

由于此时服务端扮演的是主动发起四次挥手的角色，所以服务端最后会进入到

TIME_WAIT

状态，此时就引入了一个新的异常边界问题：

当崩溃的

服务器进程

快速完成重启，并尝试绑定LISTEN监听端口时，由于此时端口、fd等资源还在被之前的连接占用（TIME_WAIT状态中），服务器将无法完成bind绑定。

为了让服务器进程可以快速完成服务恢复，对

监控端口的TIME_WAIT状态

的处理方法是：

在socket之后、bind之前，设置套接字选项

SO_REUSEADDR

，该选项表示：如果bind要绑定的端口正被占用且处于TIME_WAIT 状态，则可以重用端口。此时即可绑定成功。

SO_REUSEADDR的使用方法：

//listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

int optval = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));

//bind(listenfd, &servaddr);