TCP Connection Management
TCP 连接管理
TCP 是面向连接的协议。通信双方传送数据前要建立连接，数据传输结束后要释放连接。
每个连接通常需要记录：
- 本端和对端的 IP 地址、端口号。
- 当前连接状态。
- 当前发送序号和接收序号。
- 发送缓存、接收缓存和重传队列。
- 发送窗口、接收窗口和相关计时器。
这些信息常放在传输控制块 TCB 中。
TCP 状态
TCP 状态名用于描述连接处于建立、传输、释放过程中的哪个阶段。
常见状态含义：
| 状态 | 含义 |
|---|---|
LISTEN |
服务器被动打开，等待连接请求 |
SYN-SENT |
客户端已发送 SYN，等待服务器确认 |
SYN-RCVD |
服务器已收到 SYN 并发送 SYN+ACK |
ESTABLISHED |
连接已建立，可双向传输数据 |
FIN-WAIT-1 |
主动关闭方已发送 FIN，等待确认 |
FIN-WAIT-2 |
主动关闭方的 FIN 已被确认，等待对方 FIN |
CLOSE-WAIT |
被动关闭方收到 FIN，等待本地应用关闭 |
LAST-ACK |
被动关闭方已发送 FIN，等待最后 ACK |
TIME-WAIT |
主动关闭方等待 2MSL 后关闭 |
CLOSED |
连接关闭 |
三报文握手
建立 TCP 连接时，服务器先被动打开，进入 LISTEN 状态；客户端主动打开，向服务器发起连接请求。
三报文握手过程：
| 次序 | 报文段 | 主要字段 | 状态变化 |
|---|---|---|---|
| 1 | 客户端请求连接 | SYN=1, ACK=0, seq=x |
客户端进入 SYN-SENT |
| 2 | 服务器同意连接 | SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 |
服务器进入 SYN-RCVD |
| 3 | 客户端确认 | ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 |
双方进入 ESTABLISHED |
SYN 报文段不能携带数据，但要消耗一个序号。因此第一次握手后，客户端下一个可用序号是 x+1；第二次握手后，服务器下一个可用序号是 y+1。
三报文握手要解决三个问题：
- 确认双方的发送能力和接收能力。
- 协商双方的初始序号。
- 防止已失效的连接请求报文段造成错误连接。
为什么不是两报文握手
两报文握手的问题是：服务器在第二个报文发出后就可能认为连接已经建立，但客户端未必真的还想建立连接。
典型错误场景：
- 客户端曾经发送过一个连接请求
SYN，但该报文在网络中滞留。 - 客户端已经放弃这次连接，又重新建立并释放过连接。
- 旧的
SYN后来才到达服务器。 - 如果只用两报文握手，服务器回复
SYN+ACK后就可能进入连接建立状态。 - 客户端不会使用这个旧连接，服务器却为它分配资源并等待数据。
第三个报文的作用就是让服务器确认：客户端确实收到了服务器的初始序号，也确实要建立这次连接。
四报文挥手
TCP 是全双工通信。一个方向不再发送数据，并不意味着另一个方向也不能发送数据。因此连接释放通常需要四个报文段。
假设客户端主动关闭连接，过程如下：
| 次序 | 报文段 | 主要字段 | 含义 |
|---|---|---|---|
| 1 | 客户端发送释放请求 | FIN=1, ACK=1, seq=u, ack=v |
客户端没有数据要发送 |
| 2 | 服务器确认 | ACK=1, seq=v, ack=u+1 |
客户端到服务器方向关闭 |
| 3 | 服务器发送释放请求 | FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 |
服务器也没有数据要发送 |
| 4 | 客户端确认 | ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 |
服务器收到后关闭 |
FIN 即使不携带数据，也要消耗一个序号。因此对 FIN seq=u 的确认是 ack=u+1。
第二个报文后，连接进入半关闭状态：客户端不再发送数据，但服务器仍可继续发送剩余数据。等服务器数据发送完毕后，才发送自己的 FIN。
TIME-WAIT 与 2MSL
主动关闭方发送最后一个 ACK 后，不会立刻进入 CLOSED，而是进入 TIME-WAIT，等待 2MSL。
MSL 是 Maximum Segment Lifetime，即报文段在网络中的最长寿命。
等待 2MSL 有两个作用：
- 确保最后一个 ACK 能让被动关闭方进入
CLOSED。如果最后 ACK 丢失，被动关闭方会重传FIN，主动关闭方仍能再次发送 ACK。 - 让本次连接中残留在网络里的旧报文段全部消失，避免影响相同四元组的新连接。
四元组是：
$$
(\text{源 IP},\ \text{源端口},\ \text{目的 IP},\ \text{目的端口})
$$
保活计时器
TCP 连接建立后，如果一端主机故障但没有正常释放连接，另一端可能长期不知道对方已经不可达。保活计时器用于发现这种异常。
典型机制是：
- 服务器每收到一次客户端数据，就重新设置保活计时器（通常为 2 小时）。
- 若 2 小时内无数据到达，保活计时器到期，服务器向客户端发送探测报文段。
- 此后每隔 75 秒发送一次探测，若连续发送 10 个探测报文段后仍无响应，服务器认为客户端主机故障，关闭该连接。
保活计时器不是可靠传输的核心机制。它解决的是长时间空闲连接中，对端故障但没有正常发送 FIN 或 RST 的情况。