• TCP状态转换图


    一:

    在TCP层,有个FLAGS字段,这个字段有以下几个标识:SYN, FIN, ACK, PSH, RST, URG.

    其中,对于我们日常的分析有用的就是前面的五个字段。

     它们的含义是:

    SYN表示建立连接,

    FIN表示关闭连接,

    ACK表示响应,

    PSH表示有 DATA数据传输,

    RST表示连接重置。

     其中,ACK是可能与SYN,FIN等同时使用的,比如SYN和ACK可能同时为1,它表示的就是建立连接之后的响应,

     如果只是单个的一个SYN,它表示的只是建立连接。

    TCP的几次握手就是通过这样的ACK表现出来的。

     但SYN与FIN是不会同时为1的,因为前者表示的是建立连接,而后者表示的是断开连接。

    RST一般是在FIN之后才会出现为1的情况,表示的是连接重置。

     一般地,当出现FIN包或RST包时,我们便认为客户端与服务器端断开了连接;而当出现SYN和SYN+ACK包时,我们认为客户端与服务器建立了一个连接。

    PSH为1的情况,一般只出现在 DATA内容不为0的包中,也就是说PSH为1表示的是有真正的TCP数据包内容被传递。

    TCP的连接建立和连接关闭,都是通过请求-响应的模式完成的。

     概念补充-TCP三次握手:

    TCP(Transmission Control Protocol)传输控制协议

    TCP是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接:

     位码即tcp标志位,有6种标示:SYN(synchronous建立联机) ACK(acknowledgement 确认) PSH(push传送) FIN(finish结束) RST(reset重置) URG(urgent紧急)Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)

    第一次握手:主机A发送位码为syn=1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器,主机B由SYN=1知道,A要求建立联机;

     第二次握手:主机B收到请求后要确认联机信息,向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包;

     第三次握手:主机A收到后检查ack number是否正确,即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1,若正确,主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1,主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。

     完成三次握手,主机A与主机B开始传送数据。

     在TCP/IP协议中,TCP协议提供可靠的连接服务,采用三次握手建立一个连接。  第一次握手:建立连接时,客户端发送syn包(syn=j)到服务器,并进入SYN_SEND状态,等待服务器确认;  第二次握手:服务器收到syn包,必须确认客户的SYN(ack=j+1),同时自己也发送一个SYN包(syn=k),即SYN+ACK包,此时服务器进入SYN_RECV状态;

     第三次握手:客户端收到服务器的SYN+ACK包,向服务器发送确认包ACK(ack=k+1),此包发送完毕,客户端和服务器进入ESTABLISHED状态,完成三次握手。完成三次握手,客户端与服务器开始传送数据. 摘自中国云安网(www.yunsec.net) 原文:http://www.yunsec.net/a/school/wlcs/agreement/2012/0317/10262.html

    二:

    注:主动、被动 与 服务器、客户端没有明确的对应关系。
     
    这个图N多人都知道,它排除和定位网络或系统故障时大有帮助,但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢?那么你就一定要对这张图的每一个状态,及转换的过程有深刻 的认识,不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解析一下,以便加强记忆!不过在这之前,先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程,以及 关闭连接的四次握手过程。

    1、建立连接协议(三次握手)
    (1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
    (2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。
    (3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。
    2、连接终止协议(四次握手)
       由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。
     (1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
     (2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
     (3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
     (4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。
    CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。
    LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。
    SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本 上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态 时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。
    SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状 态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。
    ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。
    FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别 是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即 进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马 上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
    FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。
    TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带 FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。
    CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的 ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什 么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报 文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。
    CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对 方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以 close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。
    LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。
    最后有2个问题的回答,我自己分析后的结论(不一定保证100%正确)
    1、 为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?
    这 是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一 个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未 必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文 和FIN报文多数情况下都是分开发送的。
    2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?
    这是因为: 虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到 ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于 LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的 ACK报文。

    同时打开

    两个应用程序同时执行主动打开的情况是可能的,虽然发生的可能性较低。每一端都发送一个SYN,并传递给对方,且每一端都使用对端所知的端口作为本地端口。例如:

    主机a中一应用程序使用7777作为本地端口,并连接到主机b 8888端口做主动打开。

    主机b中一应用程序使用8888作为本地端口,并连接到主机a 7777端口做主动打开。

    tcp协议在遇到这种情况时,只会打开一条连接。

    这个连接的建立过程需要4次数据交换,而一个典型的连接建立只需要3次交换(即3次握手)

    但多数伯克利版的tcp/ip实现并不支持同时打开。

    SYN_RCVD与SYN_SEND都是转换为ESTABLISHED的中间状态,目标是两端均转换到ESTABLISHED状态。

    同时关闭

    如果应用程序同时发送FIN,则在发送后会首先进入FIN_WAIT_1状态。在收到对端的FIN后,回复一个ACK,会进入CLOSING状态。在收到对端的ACK后,进入TIME_WAIT状态。这种情况称为同时关闭。

    同时关闭也需要有4次报文交换,与典型的关闭相同。

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