本文是之前分多篇發(fā)布的文章，現(xiàn)在整理成一篇發(fā)布，調(diào)整了一些小細節(jié)。

一、序

當我們聊到TCP 協(xié)議的時候，聊的最多的就是三次握手與四次揮手。但是大部分資料和文章，寫的都是正常的情況下的流程。但是你有沒有想過，三次握手或者四次揮手時，如果發(fā)生異常了，是如何處理的?又是由誰來處理?

TCP 作為一個靠譜的協(xié)議，在傳輸數(shù)據(jù)的前后，需要在雙端之間建立連接，并在雙端各自維護連接的狀態(tài)。TCP 并沒有什么特別之處，在面對多變的網(wǎng)絡(luò)情況，也只能通過不斷的重傳和各種算法來保證可靠性。

建立連接前，TCP 會通過三次握手來保證雙端狀態(tài)正確，然后就可以正常傳輸數(shù)據(jù)了。當數(shù)據(jù)傳輸完成，需要斷開連接的時候，TCP 會通過四次握手來完成雙端的斷連，并回收各自的資源。

我們在學習 TCP 建連和斷連時，多數(shù)都在說一個標準的流程，但是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是多變的，很多時候并不像教科書那樣標準，那么今天就來聊聊，TCP 三次握手和四次揮手時，如果出現(xiàn)異常情況，是如何處理的?又是由誰來處理?

二、TCP 三次握手

1. 簡單理解三次握手

雖然是說三次握手的異常情況，我們還是先來了解一下三次握手。

在通過 TCP 傳輸數(shù)據(jù)時，第一步就是要先建立一個連接。TCP 建立連接的過程，就是我們常說的三次握手。

我們經(jīng)常將三次握手，描述成「請求 → 應(yīng)答 → 應(yīng)答之應(yīng)答」。

至于 TCP 握手為什么是三次?其實就是要讓雙端都經(jīng)歷一次「請求 → 應(yīng)答」的過程，來確認對方還在。網(wǎng)絡(luò)情況是多變的，雙端都需要一次自己主動發(fā)起的請求和對方回復的應(yīng)答過程，來確保對方和網(wǎng)絡(luò)是正常的。

下面這張圖，是比較經(jīng)典的 TCP 三次握手的消息和雙端狀態(tài)的變化。

我們先來解釋一下這張圖：

• 在初始時，雙端處于 CLOSE 狀態(tài)，服務(wù)端為了提供服務(wù)，會主動監(jiān)聽某個端口，進入 LISTEN 狀態(tài)。
• 客戶端主動發(fā)送連接的「SYN」包，之后進入 SYN-SENT 狀態(tài)，服務(wù)端在收到客戶端發(fā)來的「SYN」包后，回復「SYN,ACK」包，之后進入 SYN-RCVD 狀態(tài)。
• 客戶端收到服務(wù)端發(fā)來的「SYN,ACK」包后，可以確認對方存在，此時回復「ACK」包，并進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。
• 服務(wù)端收到最后一個「ACK」包后，也進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

這是正常的 TCP 三次握手，握手完成后雙端都進入 ESTABLISHED 狀態(tài)，在此之后，就是正常的數(shù)據(jù)傳輸過程。

2. TCP 握手的異常情況

三次握手的正常發(fā)包和應(yīng)答，以及雙端的狀態(tài)扭轉(zhuǎn)我們已經(jīng)講了，接下來就來看看在這三次握手的過程中，出現(xiàn)的異常情況。

(1) 客戶端第一個「SYN」包丟了。

如果客戶端第一個「SYN」包丟了，也就是服務(wù)端根本就不知道客戶端曾經(jīng)發(fā)過包，那么處理流程主要在客戶端。

而在 TCP 協(xié)議中，某端的一組「請求-應(yīng)答」中，在一定時間范圍內(nèi)，只要沒有收到應(yīng)答的「ACK」包，無論是請求包對方?jīng)]有收到，還是對方的應(yīng)答包自己沒有收到，均認為是丟包了，都會觸發(fā)超時重傳機制。

所以此時會進入重傳「SYN」包。根據(jù)《TCP/IP詳解卷Ⅰ：協(xié)議》中的描述，此時會嘗試三次，間隔時間分別是 5.8s、24s、48s，三次時間大約是 76s 左右，而大多數(shù)伯克利系統(tǒng)將建立一個新連接的最長時間，限制為 75s。

也就是說三次握手第一個「SYN」包丟了，會重傳，總的嘗試時間是 75s。

(2) 服務(wù)端收到「SYN」并回復的「SYN,ACK」包丟了。

此時服務(wù)端已經(jīng)收到了數(shù)據(jù)包并回復，如果這個回復的「SYN,ACK」包丟了，站在客戶端的角度，會認為是最開始的那個「SYN」丟了，那么就繼續(xù)重傳，就是我們前面說的「錯誤 1」 的流程。

而對服務(wù)端而言，如果發(fā)送的「SYN,ACK」包丟了，在超時時間內(nèi)沒有收到客戶端發(fā)來的「ACK」包，也會觸發(fā)重傳，此時服務(wù)端處于 SYN_RCVD 狀態(tài)，會依次等待 3s、6s、12s 后，重新發(fā)送「SYN,ACK」包。

而這個「SYN,ACK」包的重傳次數(shù)，不同的操作系統(tǒng)下有不同的配置，例如在 Linux 下可以通過 tcp_synack_retries 進行配置，默認值為 5。如果這個重試次數(shù)內(nèi)，仍未收到「ACK」應(yīng)答包，那么服務(wù)端會自動關(guān)閉這個連接。

同時由于客戶端在沒有收到「SYN,ACK」時，也會進行重傳，當客戶端重傳的「SYN」被收到后，服務(wù)端會立即重新發(fā)送「SYN,ACK」包。

(3) 客戶端最后一次回復「SYN,ACK」的「ACK」包丟了。

如果最后一個「ACK」包丟了，服務(wù)端因為收不到「ACK」會走重傳機制，而客戶端此時進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

多數(shù)情況下，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態(tài)后，則認為連接已建立，會立即發(fā)送數(shù)據(jù)。但是服務(wù)端因為沒有收到最后一個「ACK」包，依然處于 SYN-RCVD 狀態(tài)。

那么這里的關(guān)鍵，就在于服務(wù)端在處于 SYN-RCVD 狀態(tài)下，收到客戶端的數(shù)據(jù)包后如何處理?

這也是比較有爭議的地方，有些資料里會寫到當服務(wù)端處于 SYN-RCVD 狀態(tài)下，收到客戶端的數(shù)據(jù)包后，會直接回復 RTS 包響應(yīng)，表示服務(wù)端錯誤，并進入 CLOSE 狀態(tài)。

但是這樣的設(shè)定有些過于嚴格，試想一下，服務(wù)端還在通過三次握手階段確定對方是否真實存在，此時對方的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)來了，那肯定是存在的。

所以當服務(wù)端處于 SYN-RCVD 狀態(tài)下時，接收到客戶端真實發(fā)送來的數(shù)據(jù)包時，會認為連接已建立，并進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

那么實際情況，為什么會這樣呢?

當客戶端在 ESTABLISHED 狀態(tài)下，開始發(fā)送數(shù)據(jù)包時，會攜帶上一個「ACK」的確認序號，所以哪怕客戶端響應(yīng)的「ACK」包丟了，服務(wù)端在收到這個數(shù)據(jù)包時，能夠通過包內(nèi) ACK 的確認序號，正常進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

(4) 客戶端故意不發(fā)最后一次「SYN」包。

前面一直在說正常的異常邏輯，雙方都還算友善，按規(guī)矩做事，出現(xiàn)異常主要也是因為網(wǎng)絡(luò)等客觀問題，接下來說一個惡意的情況。

如果客戶端是惡意的，在發(fā)送「SYN」包后，并收到「SYN,ACK」后就不回復了，那么服務(wù)端此時處于一種半連接的狀態(tài)，雖然服務(wù)端會通過 tcp_synack_retries 配置重試的次數(shù)，不會無限等待下去，但是這也是有一個時間周期的。

如果短時間內(nèi)存在大量的這種惡意連接，對服務(wù)端來說壓力就會很大，這就是所謂的 SYN FLOOD 攻擊。

這就屬于安全攻防的范疇了，今天就不討論了，有興趣可以自行了解。

三、TCP 四次揮手

1. 簡單理解四次揮手

說完 TCP 三次握手，繼續(xù)來分析 TCP 四次揮手的異常情況。

保持行文風格，在此之前，我們還是先來簡單了解一下 TCP 的四次揮手。

當數(shù)據(jù)傳輸完成，需要斷開連接的時候，TCP 會采取四次揮手的方式，來安全的斷開連接。

為什么握手需要三次，而揮手需要四次呢?

本質(zhì)上來說，雙端都需要經(jīng)過一次「分手」的過程，來保證自己和對端的狀態(tài)正確。本著友好協(xié)商的態(tài)度，你先提出的分手，也要把最大的善意給對方，不能打了對方一個措手不及。你說不玩了就不玩了，那以后誰還敢和你玩。

下面這張圖，是比較經(jīng)典的 TCP 四次揮手的消息和雙端狀態(tài)的變化。

我們解釋一下這張圖：

• 初始時雙端還都處于 ESTABLISHED 狀態(tài)并傳輸數(shù)據(jù)，某端可以主動發(fā)起「FIN」包準備斷開連接，在這里的場景下，是客戶端發(fā)起「FIN」請求。在發(fā)出「FIN」后，客戶端進入 FIN-WAIT-1 狀態(tài)。
• 服務(wù)端收到「FIN」消息后，回復「ACK」表示知道了，并從 ESTABLISHED 狀態(tài)進入 CLOSED-WAIT 狀態(tài)，開始做一些斷開連接前的準備工作。
• 客戶端收到之前「FIN」的回復「ACK」消息后，進入 FIN-WAIT-2 狀態(tài)。而當服務(wù)端做好斷開前的準備工作后，也會發(fā)送一個「FIN,ACK」的消息給客戶端，表示我也好了，請求斷開連接，并在發(fā)送消息后，服務(wù)端進入 LAST-ACK 狀態(tài)。
• 客戶端在收到「FIN,ACK」消息后，會立即回復「ACK」，表示知道了，并進入 TIME_WAIT 狀態(tài)，為了穩(wěn)定和安全考慮，客戶端會在 TIME-WAIT 狀態(tài)等待 2MSL 的時長，最終進入 CLOSED 狀態(tài)。
• 服務(wù)端收到客戶端回復的「ACK」消息后，直接從 LAST-ACK 狀態(tài)進入 CLOSED 狀態(tài)。

正常的經(jīng)過四次揮手之后，雙端都進入 CLOSED 狀態(tài)，在此之后，雙端正式斷開了連接。

2. TCP 揮手的異常情況

四次揮手的正常發(fā)包和應(yīng)答過程，我們已經(jīng)簡單了解了，接下來就繼續(xù)看看，四次揮手過程中，出現(xiàn)的異常情況。

(1) 斷開連接的 FIN 包丟了。

我們前面一直強調(diào)過，如果一個包發(fā)出去，在一定時間內(nèi)，只要沒有收到對端的「ACK」回復，均認為這個包丟了，會觸發(fā)超時重傳機制。而不會關(guān)心到底是自己發(fā)的包丟了，還是對方的「ACK」丟了。

所以在這里，如果客戶端率先發(fā)的「FIN」包丟了，或者沒有收到對端的「ACK」回復，則會觸發(fā)超時重傳，直到觸發(fā)重傳的次數(shù)，直接關(guān)閉連接。

對于服務(wù)端而言，如果客戶端發(fā)來的「FIN」沒有收到，就沒有任何感知。會在一段時間后，也關(guān)閉連接。

(2) 服務(wù)端第一次回復的 ACK 丟了。

此時因為客戶端沒有收到「ACK」應(yīng)答，會嘗試重傳之前的「FIN」請求，服務(wù)端收到后，又會立即再重傳「ACK」。

而此時服務(wù)端已經(jīng)進入 CLOSED-WAIT 狀態(tài)，開始做斷開連接前的準備工作。當準備好之后，會回復「FIN,ACK」，注意這個消息是攜帶了之前「ACK」的響應(yīng)序號的。

只要這個消息沒丟，客戶端可以憑借「FIN,ACK」包中的響應(yīng)序號，直接從 FIN-WAIT-1 狀態(tài)，進入 TIME-WAIT 狀態(tài)，開始長達 2MSL 的等待。

(3) 服務(wù)端發(fā)送的 FIN,ACK 丟了。

服務(wù)端在超時后會重傳，此時客戶端有兩種情況，要么處于 FIN-WAIT-2 狀態(tài)(之前的 ACK 也丟了)，會一直等待;要么處于 TIME-WAIT 狀態(tài)，會等待 2MSL 時間。

也就是說，在一小段時間內(nèi)客戶端還在，客戶端在收到服務(wù)端發(fā)來的「FIN,ACK」包后，也會回復一個「ACK」應(yīng)答，并做好自己的狀態(tài)切換。

(4) 客戶端最后回復的 ACK 丟了。

客戶端在回復「ACK」后，會進入 TIME-WAIT 狀態(tài)，開始長達 2MSL 的等待，服務(wù)端因為沒有收到「ACK」的回復，會重試一段時間，直到服務(wù)端重試超時后主動斷開。

或者等待新的客戶端接入后，收到服務(wù)端重試的「FIN」消息后，回復「RST」消息，在收到「RST」消息后，復位服務(wù)端的狀態(tài)。

(5) 客戶端收到 ACK 后，服務(wù)端跑路了。

客戶端在收到「ACK」后，進入了 FIN-WAIT-2 狀態(tài)，等待服務(wù)端發(fā)來的「FIN」包，而如果服務(wù)端跑路了，這個包永遠都等不到。

在 TCP 協(xié)議中，是沒有對這個狀態(tài)的處理機制的。但是協(xié)議不管，系統(tǒng)來湊，操作系統(tǒng)會接管這個狀態(tài)，例如在 Linux 下，就可以通過 tcp_fin_timeout 參數(shù)，來對這個狀態(tài)設(shè)定一個超時時間。

需要注意的是，當超過 tcp_fin_timeout 的限制后，狀態(tài)并不是切換到 TIME_WAIT，而是直接進入 CLOSED 狀態(tài)。

(6) 客戶端收到 ACK 后，客戶端自己跑路了。

客戶端收到「ACK」后直接跑路，服務(wù)端后續(xù)在發(fā)送的「FIN,ACK」就沒有接收端，也就不會得到回復，會不斷的走 TCP 的超時重試的機制，此時服務(wù)端處于 LAST-ACK 狀態(tài)。

那就要分 2 種情況分析：

• 在超過一定時間后，服務(wù)端主動斷開。
• 收到「RST」后，主動斷開連接。

「RST」消息是一種重置消息，表示當前錯誤了，應(yīng)該回到初始的狀態(tài)。如果客戶端跑路后有新的客戶端接入，會在此發(fā)送「SYN」以期望建立連接，此時這個「SYN」將被忽略，并直接回復「FIN,ACK」消息，新客戶端在收到「FIN」消息后是不會認的，并且會回復一個「RST」消息。

四、小結(jié)時刻

本文聊了 TCP 在三次握手和四次揮手的時候，出現(xiàn)異常的處理邏輯。

大多數(shù)情況下，都是依賴超時重傳來保證 TCP 的可靠性，但是重傳的次數(shù)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及有哪些狀態(tài)是被系統(tǒng)接管，這些細節(jié)，就是本文的主題。