大家好,我是小林。

之前收到个读者的问题,对于 TCP 三次握手和四次挥手的一些疑问:

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第一次握手,如果客户端发送的SYN一直都传不到被服务器,那么客户端是一直重发SYN到永久吗?客户端停止重发SYN的时机是什么?

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第三次握手,如果服务器永远不会收到ACK,服务器就永远都留在 Syn-Recv 状态了吗?退出此状态的时机是什么?

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第三次挥手,如果客户端永远收不到 FIN,ACK,客户端永远停留在 Fin-Wait-2状态了吗?退出此状态时机是什么时候呢?

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第四次挥手,如果服务器永远收不到 ACK,服务器永远停留在 Last-Ack 状态了吗?退出此状态的时机是什么呢?

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如果客户端 在 2SML内依旧没收到 FIN,ACK,会关闭链接吗?服务器那边怎么办呢,是怎么关闭链接的呢?

可以看到,这些问题都是关于 TCP 是如何处理这些异常场景的,我们在学 TCP 连接建立和断开的时候,总是以为这些过程能如期完成。

可惜理想很丰满,现实很骨感,事实预料呀。

TCP 当然不傻,对以上这些异常场景都是有做处理的。

这次就针对读者问的这一系列问题,来详细说说 TCP 是怎么处理这些异常的?

这些异常场景共分为两大类,第一类是 TCP 三次握手期间的异常,第二类是 TCP 四次挥手期间的异常。

<>TCP 三次握手期间的异常

我们先来看看 TCP 三次握手的过程。

<>第一次握手丢失了,会发生什么?

当客户端想和服务端建立 TCP 连接的时候,首先第一个发的就是 SYN 报文,然后进入到 SYN_SENT 状态。

在这之后,如果客户端迟迟收不到服务端的 SYN-ACK 报文(第二次握手),就会触发超时重传机制。

不同版本的操作系统可能超时时间不同,有的 1 秒的,也有 3 秒的,这个超时时间是写死在内核里的,如果想要更改则需要重新编译内核,比较麻烦。

当客户端在 1 秒后没收到服务端的 SYN-ACK 报文后,客户端就会重发 SYN 报文,那到底重发几次呢?

在 Linux 里,客户端的 SYN 报文最大重传次数由 tcp_syn_retries内核参数控制,这个参数是可以自定义的,默认值一般是 5。

通常,第一次超时重传是在 1 秒后,第二次超时重传是在 2 秒,第三次超时重传是在 4 秒后,第四次超时重传是在 8 秒后,第五次是在超时重传 16
秒后。没错,每次超时的时间是上一次的 2 倍。

当第五次超时重传后,会继续等待 32 秒,如果服务端仍然没有回应 ACK,客户端就不再发送 SYN 包,然后断开 TCP 连接。

所以,总耗时是 1+2+4+8+16+32=63 秒,大约 1 分钟左右。

<>第二次握手丢失了,会发生什么?

当服务端收到客户端的第一次握手后,就会回 SYN-ACK 报文给客户端,这个就是第二次握手,此时服务端会进入 SYN_RCVD 状态。

第二次握手的 SYN-ACK 报文其实有两个目的 :

* 第二次握手里的 ACK, 是对第一次握手的确认报文;
* 第二次握手里的 SYN,是服务端发起建立 TCP 连接的报文;
所以,如果第二次握手丢了,就会发送比较有意思的事情,具体会怎么样呢?

因为第二次握手报文里是包含对客户端的第一次握手的 ACK 确认报文,所以,如果客户端迟迟没有收到第二次握手,那么客户端就觉得可能自己的 SYN
报文(第一次握手)丢失了,于是客户端就会触发超时重传机制,重传 SYN 报文。

然后,因为第二次握手中包含服务端的 SYN 报文,所以当客户端收到后,需要给服务端发送 ACK 确认报文(第三次握手),服务端才会认为该 SYN
报文被客户端收到了。

那么,如果第二次握手丢失了,服务端就收不到第三次握手,于是服务端这边会触发超时重传机制,重传 SYN-ACK 报文。

在 Linux 下,SYN-ACK 报文的最大重传次数由 tcp_synack_retries内核参数决定,默认值是 5。

因此,当第二次握手丢失了,客户端和服务端都会重传:

* 客户端会重传 SYN 报文,也就是第一次握手,最大重传次数由 tcp_syn_retries内核参数决定。;
* 服务端会重传 SYN-AKC 报文,也就是第二次握手,最大重传次数由 tcp_synack_retries 内核参数决定。
<>第三次握手丢失了,会发生什么?

客户端收到服务端的 SYN-ACK 报文后,就会给服务端回一个 ACK 报文,也就是第三次握手,此时客户端状态进入到 ESTABLISH 状态。

因为这个第三次握手的 ACK 是对第二次握手的 SYN
的确认报文,所以当第三次握手丢失了,如果服务端那一方迟迟收不到这个确认报文,就会触发超时重传机制,重传 SYN-ACK
报文,直到收到第三次握手,或者达到最大重传次数。

注意,ACK 报文是不会有重传的,当 ACK 丢失了,就由对方重传对应的报文。

<>TCP 四次挥手期间的异常

我们再来看看 TCP 四次挥手的过程。

<>第一次挥手丢失了,会发生什么?

当客户端(主动关闭方)调用 close 函数后,就会向服务端发送 FIN 报文,试图与服务端断开连接,此时客户端的连接进入到 FIN_WAIT_1 状态。

正常情况下,如果能及时收到服务端(被动关闭方)的 ACK,则会很快变为 FIN_WAIT2 状态。

如果第一次挥手丢失了,那么客户端迟迟收不到被动方的 ACK 的话,也就会触发超时重传机制,重传 FIN 报文,重发次数由 tcp_orphan_retries
参数控制。

当客户端重传 FIN 报文的次数超过 tcp_orphan_retries 后,就不再发送 FIN 报文,直接进入到 close 状态。

<>第二次挥手丢失了,会发生什么?

当服务端收到客户端的第一次挥手后,就会先回一个 ACK 确认报文,此时服务端的连接进入到 CLOSE_WAIT 状态。

在前面我们也提了,ACK 报文是不会重传的,所以如果服务端的第二次挥手丢失了,客户端就会触发超时重传机制,重传 FIN
报文,直到收到服务端的第二次挥手,或者达到最大的重传次数。

这里提一下,当客户端收到第二次挥手,也就是收到服务端发送的 ACK 报文后,客户端就会处于 FIN_WAIT2
状态,在这个状态需要等服务端发送第三次挥手,也就是服务端的 FIN 报文。

对于 close 函数关闭的连接,由于无法再发送和接收数据,所以FIN_WAIT2 状态不可以持续太久,而 tcp_fin_timeout
控制了这个状态下连接的持续时长,默认值是 60 秒。

这意味着对于调用 close 关闭的连接,如果在 60 秒后还没有收到 FIN 报文,客户端(主动关闭方)的连接就会直接关闭。

<>第三次挥手丢失了,会发生什么?

当服务端(被动关闭方)收到客户端(主动关闭方)的 FIN 报文后,内核会自动回复 ACK,同时连接处于 CLOSE_WAIT
状态,顾名思义,它表示等待应用进程调用 close 函数关闭连接。

此时,内核是没有权利替代进程关闭连接,必须由进程主动调用 close 函数来触发服务端发送 FIN 报文。

服务端处于 CLOSE_WAIT 状态时,调用了 close 函数,内核就会发出 FIN 报文,同时连接进入 LAST_ACK 状态,等待客户端返回 ACK
来确认连接关闭。

如果迟迟收不到这个 ACK,服务端就会重发 FIN 报文,重发次数仍然由 tcp_orphan_retries 参数控制,这与客户端重发 FIN
报文的重传次数控制方式是一样的。

<>第四次挥手丢失了,会发生什么?

当客户端收到服务端的第三次挥手的 FIN 报文后,就会回 ACK 报文,也就是第四次挥手,此时客户端连接进入 TIME_WAIT 状态。

在 Linux 系统,TIME_WAIT 状态会持续 60 秒后才会进入关闭状态。

然后,服务端(被动关闭方)没有收到 ACK 报文前,还是处于 LAST_ACK 状态。

如果第四次挥手的 ACK 报文没有到达服务端,服务端就会重发 FIN 报文,重发次数仍然由前面介绍过的 tcp_orphan_retries 参数控制。

是吧,TCP 聪明着很!

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