计网Lesson18 - TCP链接管理

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1. TCP 建立连接和释放连接

1.1 三次握手

• 为了防止安全问题，TCP 并不是从0开始对包进行编号的，而是随机一个数。
• 客户端发送SYN包，序列号 = x
  服务器回复SYN-ACK包，序列号 = y，确认号 = x + 1
  客户端回复ACK包，序列号 = x + 1，确认号= y + 1
• 客户端发送信息时，会先进TCP的缓冲区
  • 这些包已经删去传输层及以前的头了，而应用层往往不带有地址信息
    • TCP会记住头中的信息，在服务器取走包之后，构建一个新TCP头（ACK）发送回发送方。
  • 应用层从接收缓冲区取数据时面临粘包问题：
    • 应用层用协议定义数据边界来区分数据包。
  • 只有在服务器取走包之后TCP才会回消息（ACK包）。
  • 当服务器阻塞时，一直没消息，会触发发送端的超时重传：
    • 但是重传并非无限制，取决于系统设置，一般在5次之后还未成功就发送RST报文，断开连接。
    • TCP中有“重传超时”（Retransmission Timeout，RTO）机制，它规定了客户端等待服务器确认信息的最长时间。如果在这个时间内仍然没有收到确认信息，客户端会停止重传，并可能关闭连接。
  • 服务器阻塞时，会导致发送方一直发消息导致缓存区满了的情况吗？
    • 在TCP通信中，流量控制是通过滑动窗口机制实现的。
    • 如果服务器卡死，那么它将无法处理接收到的数据，也就无法发送ACK，因此窗口不会滑动。这 意味着发送方的窗口会被填满，一旦窗口被填满，发送方就会停止发送数据，直到接收到新的ACK。这就是TCP的流量控制机制如何防止接收方被淹没的。
    • 然而，如果服务器长时间无响应，发送方可能会触发超时重传，这可能会导致网络拥塞。为了解决这个问题，TCP还有一个拥塞控制机制。当检测到网络拥塞时，发送方会减小其发送窗口的大小，减少发送的数据量，以缓解网络拥塞。
  • 如果服务器阻塞，发送方连发两包，因为没有回包，所以确认号不变：
    • 当服务器开始运行时，只回一个ACK包，确认号是第二个包的序号x + length。
    • 如果出现丢包，发送方会根据接收方返回的ACK包确定丢失了哪个包，再进行重传。

1.1.2 三次握手的意义

• TCP三次握手主要来解决两个重要问题：
  1. 双方确认对方的存在：通过三次握手，客户端和服务器都可以确认对方的存在，即对方的 IP 地址和端口号是正确的，可以接收到数据。
  2. 双方确认对方已准备好接收数据：三次握手过程中，双方都会发送一个 SYN 包，表明自己已经准备好了，可以发送数据，也可以接收数据。
• 为什么是三次握手而不是两次握手？前两次握手已经可以确立连接了：
  • 三次握手的过程：
    1. SYN：客户端发送一个 SYN 包给服务器，请求建立连接。这个 SYN 包包含一个随机的序列号 A。
    2. SYN-ACK：服务器收到 SYN 包后，会确认客户端的 SYN（ACK=A+1），同时发送自己的 SYN 包，这个 SYN 包包含一个随机的序列号 B。
    3. ACK：客户端收到服务器的 SYN-ACK 包后，会确认服务器的 SYN（ACK=B+1）。至此，连接建立成功。
  • 在这个过程中，第三次握手（ACK）的目的是为了确认自己收到了对方的 SYN 包，也就是说，确认对方已经准备好了。如果没有这一步，那么服务器可能会一直等待确认，因为它不知道客户端是否已经收到了自己的 SYN 包。

• 如果只有两次握手
  • 客户端的首个连接请求一直没送到，触发超时重传。
  • 客户端跟服务器连接后关闭，此时第一个SYN包才到，服务器会回一个SYN包。
  • 如果是两次握手，会导致这个关闭的客户端一直占用服务器资源，造成资源浪费。

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1.2 四次挥手

• 第一次挥手
  • 序号seq字段的值设置为u，它等于TCP客户进程之前已经传送过的数据的最后⼀个字节的序号加1。
  • TCP规定终止标志位FIN等于1的TCP报文段即使不携带数据，也要消耗掉⼀个序号。
  • 确认号ack字段的值设置为v，它等于TCP客户进程之前已收到的数据的最后⼀个字节的序号加1。
• 第⼆次挥手
  • 序号seq字段的值设置为v，它等于TCP服务器进程之前已传送过的数据的最后⼀个字节的序号加1。这也与之前收到的TCP连接释放报文段中的确认号v匹配。
  • 确认号ack字段的值设置为u+1，这是对TCP连接释放报文段的确认。

  两次挥手之后，从TCP客户进程到TCP服务器进程这个方向的连接就释放了，但TCP服务器进程如果还有数据要发送，TCP客户进程仍要接收，也就是从TCP服务器进程到TCP客户进程这个方向的连接并未关闭。
  无论是客户端还是服务器，都可以主动发起关闭连接的请求。这是 TCP 协议的一个重要特性，它确保了连接的双向性和全双工通信。

• 第三次挥⼿
  • TCP连接释放报文段首部中的终止标志位FIN和确认标志位ACK的值都被设置为1。表明这是⼀个TCP连接释放报文段，同时也对之前收到的TCP报文段进行确认。
  • 序号seq字段的值假定被设置为w，这是因为在半关闭状态下TCP服务器进程可能又发送了⼀些数据。
  • 确认号ack字段的值被设置为u+1，这是对之前收到的TCP连接释放报文段的重复确认。
  • TCP服务器进入LAST-ACK状态。
• 第四次挥⼿
  • 序号seq字段的值设置为u+1，这是因为TCP客户进程之前发送的TCP连接释放报⽂段虽然不携带数据，但要消耗掉⼀个序号。
  • 确认号ack字段的值设置为w+1，这是对所收到的TCP连接释放报文段的确认。
  • TCP客户端进⼊TIME-WAIT状态，等待2MLS，MSL是最长报文段寿命（Maximum Segment Lifetime） 的英文缩写词，[RFC793]建议为2分钟。也就是说，TCP客户进程进入时间等待（TIME-WAIT）状态后，还要经过4分钟才能进入关闭（CLOSED）状态。

面试题：

1. 如果遇到大量CLOSE_WAIT情况是什么原因，怎么解决？

   • 遇到大量CLOSE_WAIT，证明应用程序没有处理完发送来的数据，所以迟迟没有发送第三次挥手的FIN包，这主要是程序出了问题。
   • 解决办法有：
     • 检查服务端程序：首先需要检查服务端的程序，看是否在接收到客户端的关闭请求后，正确地关闭了连接和释放了相关资源。
     • 优化代码：如果服务端程序在处理请求时出现异常，那么需要优化代码，确保即使在出现异常的情况下，也能正确地关闭连接和释放资源。
     • 设置超时：可以在服务端设置超时，如果在一定时间内没有接收到客户端的数据，那么就自动关闭连接。这样可以避免因为客户端异常关闭（例如崩溃或者网络问题），导致服务端一直等待的问题。
     • 使用心跳：另外一种方法是使用心跳机制，定期检查客户端是否还在。如果在一定时间内没有收到客户端的心跳，那么就认为客户端已经关闭，然后服务端就可以关闭连接。

2. 如果遇到大量TIMe_WAIT状态是什么原因，该如何解决？

   • 遇到大量TIME_WAIT主要原因：
     • 大量的短连接存在：特别是在 HTTP 请求中，如果 connection 头部取值被设置为 close 时，基本都由服务端发起主动关闭连接。
     • TCP 四次挥手关闭连接机制：为了保证 ACK 重发和丢弃延迟数据，设置 time_wait 为 2 倍的 MSL（报文最大存活时间）。
   • 解决办法：
     • 客户端层面：在客户端将 HTTP 请求头里 connection 的值设置为 keep-alive，将短连接改成长连接。
     • 服务器层面：可以通过修改服务器的系统内核参数来进行优化1。例如，允许将 TIME_WAIT 状态的 socket 重新用于新的 TCP 连接，或者缩减 MSL 值。
   • 其实出现大量TIME_WAIT属于正常现象。TIME_WAIT是传输层的规定，程序员无法操作，而且TIME_WAIT对资源占用不大，所以不太需要处理。

原文地址：https://blog.csdn.net/2301_78981471/article/details/136333440

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