TCP 连接管理

TCP 是面向连接的协议，连接的建立和释放是每一次 TCP 通信中必不可少的过程。TCP 对连接的管理主要有三个阶段：建立连接、数据传送、释放连接。

建立连接（三次握手）

                                                     server
                                                 +------------+
   client                                        |CLOSED      |
+-----------+                                    |------------|
|CLOSED     |                                    |LISTEN      |
|-----------|--- SYN, seq=100 ------------------>|------------|
|           |                                    |            |
|SYN-SENT   |<------ SYN ACK, seq=300 ack=101 ---|SYN-RECEIVED|
|           |                                    |            |
|-----------|--- ACK, seq=101 ack=301 ---------->|------------|
|           |                                    |            |
|ESTABLISHED|--- ACK, seq=101 ack=301, [data] -->|ESTABLISHED |
|           |                                    |            |
+-----------+                                    +------------+

TCP 在建立连接的过程中，需要解决以下三个问题：

1. 要使 client 和 server 都能确认对方的存在；

2. 要允许 client 和 server 能协商一些参数（例如最大窗口值等）；

3. 能够对传输资源（例如缓存大小）进行分配。

tcp three-way handshake 1

tcp three-way handshake 2

tcp three-way handshake 3

三次握手的必要性

TCP 在建立连接的过程中，之所以需要三次握手，核心目的不是仅仅建立连接，而是双方都需要确认：对方接收和发送能力正常 + 初始序列号可同步 + 防止历史失效连接干扰。

如果仅有两次握手，则服务端无法确认客户端是否真的收到了自己的 SYN + ACK。如果客户端未收到 SYN + ACK 数据包，服务端就认为连接建立成功，并进入 ESTABLISHED 状态的话，此时客户端完全不知道连接的存在，并导致双方连接状态不一致。

第三次握手设计，也是为了防止历史失效报文误建连接。假设有一个旧 SYN 包在网络中滞留之后，延迟到达了服务端，但此时客户端已经关闭连接，如果仅有两次握手，即服务端收到 SYN 包并回应 SYN + ACK 包之后，就直接建立连接的话，此时客户端不会回应已失效的 SYN + ACK 包，也会导致双方连接状态不一致。

释放连接（四次挥手）

   client                                       server
+-----------+                                +-----------+
|ESTABLISHED|                                |ESTABLISHED|
|-----------|--- FIN ACK, seq=100 ack=300 -->|-----------|
|FIN-WAIT-1 |                                |           |
|-----------|<------ ACK, seq=300 ack=101 ---|CLOSE-WAIT |
|           |                                |           |
|FIN-WAIT-2 |<-- FIN ACK, seq=300 ack=101 ---|-----------|
|           |                                |LAST-ACK   |
|-----------|--- ACK, seq=101 ack=301 ------>|-----------|
|TIME-WAIT  |                                |CLOSED     |
|-----------|                                +-----------+
|CLOSED     |
+-----------+

client 在接收到 server 的 FIN ACK 报文段之后，需要进入 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 时间的目的是：

1. 保证 client 发送最后一个 ACK 报文段可以成功到达 server；

2. 防止已失效的连接请求报文段出现在本连接中。

tcp four-way handshake 1

tcp four-way handshake 2

tcp four-way handshake 3

tcp four-way handshake 4

参考资料

• RFC 793 - Transmission Control Protocol - Establishing a connection

• RFC 793 - Transmission Control Protocol - Closing a Connection