TCP状态转换、半关闭、端口复用

2024-04-06 22:58:20

1、TCP状态转换

1.1 三次握手

1、TCP状态转换

在 TCP 进行三次握手，或者四次挥手的过程中，通信的服务器和客户端内部会发送状态上的变化，发生的状态变化在程序中是看不到的，这个状态的变化也不需要程序猿去维护，但是在某些情况下进行程序的调试会去查看相关的状态信息，下面是三次握手过程中的状态转换。

1.1 三次握手

在第一次握手之前，服务器必须先启动，并且已经开始了监听
--服务器端先调用了 listen() 函数，开始监听
--服务器端启动监听前后的状态变化：没有状态---> SYN_SENT

当服务器监听启动之后，由客户端发起的三次握手过程中状态转换如下：

第一次握手:

客户端：调用了 connect() 函数，状态变化：没有状态 -> SYN_SENT
服务器：收到连接请求 SYN，状态变化：LISTEN -> SYN_RCVD

第二次握手:

服务器：给客户端回复 ACK，并且请求和客户端建立连接，状态无变化，依然是 SYN_RCVD
客户端：接收数据，收到了 ACK，状态变化：SYN_SENT -> ESTABLISHED

第三次握手:

客户端：给服务器回复 ACK，同意建立连接，状态没有变化，还是 ESTABLISHED
服务器：收到了 ACK，状态变化：SYN_RCVD -> ESTABLISHED

三次握手完成之后，客户端和服务器都变成了同一种状态，这种状态叫：ESTABLISHED，表示双向连接已经建立，可以通信了。在数据传输过程中，正常的通信状态就是 ESTABLISHED。

1.2 四次挥手

关于四次挥手对于客户端和服务器哪一端先断开连接没有要求，根据实际情况处理即可。下面根据上图中的实例描述一下四次挥手过程中 TCP 的状态转换（上图中主动断开连接的一方是客户端）：

第一次挥手:

客户端：调用 close() 函数，将 tcp 协议中的 FIN 设置为 1，请求和服务器断开连接，状态变化:ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1
服务器：收到断开连接请求，状态变化: ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT

第二次挥手:

服务器：回复 ACK，同意断开连接的请求，状态没有变化，还是 CLOSE_WAIT
客户端：收到 ACK，状态变化：FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2

第三次挥手:

服务器端：调用 close () 函数，发送 FIN 给客户端，请求断开连接，状态变化：CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
客户端：收到 FIN，状态变化：FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT

第四次挥手:

客户端：回复 ACK 给服务器，状态是没有变化的，状态变化：TIME_WAIT -> 没有状态
服务器端：收到 ACK，双向连接断开，状态变化：LAST_ACK -> 无状态(没有了)

1.3 状态转换

在下图中同样是描述 TCP 通信过程中的客户端和服务器端的状态转换，看起来比较乱，其实只需要看两条主线：红色实线和绿色虚线。关于黑色的实线对应的是一些特殊情况下的状态切换，在此不做任何分析。

因为三次握手是由客户端发起的，据此分析红色的实线表示的客户端的状态，绿色虚线表示的是服务器端的状态。

客户端：

第一次握手：发送 SYN，没有状态 -> SYN_SENT
第二次握手：收到回复的 ACK，SYN_SENT -> ESTABLISHED
主动断开连接，第一次挥手发送 FIN，状态 ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1
第二次挥手，收到 ACK，状态 FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2
第三次挥手，收到 FIN，状态 FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT
第四次挥手，回复 ACK，等待 2 倍报文时长之后，状态 TIME_WAIT -> 没有状态

服务器端：

启动监听，没有状态 -> LISTEN
第一次握手，收到 SYN，状态 LISTEN -> SYN_RCVD
第三次握手，收到 ACK，状态 SYN_RCVD -> ESTABLISHED
收到断开连接请求，第一次挥手状态 ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT
第三次挥手，发送 FIN 请求和客户端断开连接，状态 CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
第四次挥手，收到 ACK，状态 LAST_ACK -> 无状态(没有了)

在 TCP 通信的时候，当主动断开连接的一方接收到被动断开连接的一方发送的 FIN 和最终的 ACK 后（第三次挥手完成），连接的主动关闭方必须处于 TIME_WAIT 状态并持续 2MSL（Maximum Segment Lifetime）时间，这样就能够让 TCP 连接的主动关闭方在它发送的 ACK 丢失的情况下重新发送最终的 ACK。

一倍报文寿命 (MSL) 大概时长为 30s，因此两倍报文寿命一般在 1 分钟作用。

主动关闭方重新发送的最终ACK，是因为被动关闭方重传了它的FIN。事实上，被动关闭方总是重传FIN直到它收到一个最终的ACK。

1.4 相关命令

1 $ netstat 参数
2 $ netstat -apn | grep 关键字

参数:

-a (all) 显示所有选项
-p 显示建立相关链接的程序名
-n 拒绝显示别名，能显示数字的全部转化成数字。
-l 仅列出有在 Listen (监听) 的服务状态
-t (tcp) 仅显示 tcp 相关选项
-u (udp) 仅显示 udp 相关选项

2、半关闭

TCP 连接只有一方发送了 FIN，另一方没有发出 FIN 包，仍然可以在一个方向上正常发送数据，这种状态可以称之为半关闭或者半连接。当四次挥手完成两次的时候，就相当于实现了半关闭，在程序中只需要在某一端直接调用 close () 函数即可。套接字通信默认是双工的，也就是双向通信，如果进行了半关闭就变成了单工，数据只能单向流动了。比如下面的这个例子：

服务器端:

调用了 close () 函数，因此不能发数据，只能接收数据
关闭了服务器端的写操作，现在只能进行读操作 –> 变成了读端

客户端:

没有调用 close ()，客户端和服务器的连接还保持着
客户端可以给服务器发送数据，也可以接收服务器发送的数据（但是，服务器已经丧失了发送数据的能力），因此客户端也只能发送数据，接收不到数据 –> 变成了写端

按照上述流程做了半关闭之后，从双工变成了单工，数据单向流动的方向：客户端 —–> 服务器端。

1   // 专门处理半关闭的函数
2   #include <sys/socket.h>
3   // 可以有选择的关闭读/写, close()函数只能关闭写操作
4   int shutdown(int sockfd, int how);

参数:

sockfd: 要操作的文件描述符
how:

SHUT_RD: 关闭文件描述符对应的读操作

SHUT_WR: 关闭文件描述符对应的写操作

SHUT_RDWR: 关闭文件描述符对应的读写操作

返回值：函数调用成功返回 0，失败返回 - 1

3、端口复用

在网络通信中，一个端口只能被一个进程使用，不能多个进程共用同一个端口。我们在进行套接字通信的时候，如果按顺序执行如下操作：先启动服务器程序，再启动客户端程序，然后关闭服务器进程，再退出客户端进程，最后再启动服务器进程，就会出如下的错误提示信息：bind error: Address already in use

# 第二次启动服务器进程
$ ./server 
bind error: Address already in use

$ netstat -apn|grep 9999
(Not all processes could be identified, non-owned process info
 will not be shown, you would have to be root to see it all.)
tcp        0      0 127.0.0.1:9999          127.0.0.1:50178         TIME_WAIT

通过 netstat 查看 TCP 状态，发现上一个服务器进程其实还没有真正退出。因为服务器进程是主动断开连接的进程，最后状态变成了 TIME_WAIT 状态，这个进程会等待 2msl(大约1分钟) 才会退出，如果该进程不退出，其绑定的端口就不会释放，再次启动新的进程还是使用这个未释放的端口，端口被重复使用，就是提示 bind error: Address already in use 这个错误信息。

如果想要解决上述问题，就必须要设置端口复用，使用的函数原型如下：

// 这个函数是一个多功能函数, 可以设置套接字选项
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

参数:

sockfd：用于监听的文件描述符
level：设置端口复用需要使用 SOL_SOCKET 宏
optname：要设置什么属性（下边的两个宏都可以设置端口复用）

SO_REUSEADDR
SO_REUSEPORT

optval：设置是去除端口复用属性还是设置端口复用属性，实际应该使用 int 型变量

0：不设置
1：设置

optlen：optval 指针指向的内存大小 sizeof (int)

这个函数应该添加到服务器端代码中，具体应该放到什么位置呢？答：在绑定之前设置端口复用

创建监听的套接字
设置端口复用
绑定
设置监听
等待并接受客户端连接
通信
断开连接

参考代码

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>

// server
int main(int argc, const char* argv[])
{
    // 创建监听的套接字
    int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(lfd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    // 绑定
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(9999);
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本地多有的ＩＰ
    // 127.0.0.1
    // inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    
    // 设置端口复用
    int opt = 1;
    setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 绑定端口
    int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    // 监听
    ret = listen(lfd, 64);
    if(ret == -1)
    {
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    fd_set reads, tmp;
    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(lfd, &reads);

    int maxfd = lfd;

    while(1)
    {
        tmp = reads;
        int ret = select(maxfd+1, &tmp, NULL, NULL, NULL);
        if(ret == -1)
        {
            perror("select");
            exit(0);
        }

        if(FD_ISSET(lfd, &tmp))
        {
            int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
            FD_SET(cfd, &reads);
            maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;
        }
        for(int i=lfd+1; i<=maxfd; ++i)
        {
            if(FD_ISSET(i, &tmp))
            {
                char buf[1024];
                int len = read(i, buf, sizeof(buf));
                if(len > 0)
                {
                    printf("client say: %s\n", buf);
                    write(i, buf, len);
                }
                else if(len == 0)
                {
                    printf("客户端断开了连接\n");
                    FD_CLR(i, &reads);
                    close(i);
                }
                else
                {
                    perror("read");
                    exit(0);
                }
            }
        }
    }

    return 0;
}

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1.1 三次握手

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1.3 状态转换

1.4 相关命令

2、半关闭

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