TCP 四次挥手过程和状态变迁

TCP三次握手和四次挥手详解

TCP 断开连接是通过四次挥手方式。双方都可以主动断开连接，断开连接后主机中的「资源」将被释放。

客户端打算关闭连接，此时会发送一个 TCP 首部 FIN 标志位被置为 1 的报文，也即 FIN 报文，之后客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。
服务端收到该报文后，就向客户端发送 ACK 应答报文，接着服务端进入 CLOSED_WAIT 状态。
客户端收到服务端的 ACK 应答报文后，之后进入 FIN_WAIT_2 状态。
等待服务端处理完数据后，也向客户端发送 FIN 报文，之后服务端进入 LAST_ACK 状态。
客户端收到服务端的 FIN 报文后，回一个 ACK 应答报文，之后进入 TIME_WAIT 状态
服务器收到了 ACK 应答报文后，就进入了 CLOSE 状态，至此服务端已经完成连接的关闭。
客户端在经过 2MSL 一段时间后，自动进入 CLOSE 状态，至此客户端也完成连接的关闭。

你可以看到，每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK，因此通常被称为四次挥手。

这里一点需要注意是：主动关闭连接的，才有 TIME_WAIT 状态。

为什么需要 TIME_WAIT 状态

主动发起关闭连接的一方，才会有 TIME-WAIT 状态。

需要 TIME-WAIT 状态，主要是两个原因：

防止接收旧连接的数据包；
保证「被动关闭连接」的一方能被正确的关闭，即保证最后的 ACK 能让被动关闭方接收，从而帮助其正常关闭；

原因一：防止接收旧连接的数据包

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短，被延迟的数据包抵达后会发生什么呢？

如上图黄色框框服务端在关闭连接之前发送的 SEQ = 301 报文，被网络延迟了。
这时有相同端口的 TCP 连接被复用后，被延迟的 SEQ = 301 抵达了客户端，那么客户端是有可能正常接收这个过期的报文，这就会产生数据错乱等严重的问题。

所以，TCP 就设计出了这么一个机制，经过 `2MSL` 这个时间，足以让两个方向上的数据包都被丢弃，使得原来连接的数据包在网络中都自然消失，再出现的数据包一定都是新建立连接所产生的。

原因二：保证连接正确关闭

在 RFC 793 指出 TIME-WAIT 另一个重要的作用是：

也就是说，TIME-WAIT 作用是等待足够的时间以确保最后的 ACK 能让被动关闭方接收，从而帮助其正常关闭。

假设 TIME-WAIT 没有等待时间或时间过短，断开连接会造成什么问题呢？

如上图红色框框客户端四次挥手的最后一个 ACK 报文如果在网络中被丢失了，此时如果客户端 TIME-WAIT 过短或没有，则就直接进入了 CLOSE 状态了，那么服务端则会一直处在 LASE-ACK 状态。
当客户端发起建立连接的 SYN 请求报文后，服务端会发送 RST 报文给客户端，连接建立的过程就会被终止。

如果 TIME-WAIT 等待足够长的情况就会遇到两种情况：

服务端正常收到四次挥手的最后一个 ACK 报文，则服务端正常关闭连接。
服务端没有收到四次挥手的最后一个 `ACK` 报文时，则会重发 `FIN` 关闭连接报文并等待新的 `ACK` 报文。

所以客户端在 `TIME-WAIT` 状态等待 `2MSL` 时间后，就可以保证双方的连接都可以正常的关闭。

为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL

`MSL` 是 Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间，它是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。因为 TCP 报文基于是 IP 协议的，而 IP 头中有一个 TTL 字段，是 IP 数据报可以经过的最大路由数，每经过一个处理他的路由器此值就减 1，当此值为 0 则数据报将被丢弃，同时发送 ICMP 报文通知源主机。

MSL 与 TTL 的区别：MSL 的单位是时间，而 TTL 是经过路由跳数。所以 MSL 应该要大于等于 TTL 消耗为 0 的时间，以确保报文已被自然消亡。

TIME_WAIT 等待 2 倍的 MSL，比较合理的解释是：网络中可能存在来自发送方的数据包，当这些发送方的数据包被接收方处理后又会向对方发送响应，所以一来一回需要等待 2 倍的时间。

比如，如果被动关闭方(服务器)没有收到断开连接的最后的 ACK 报文，被动关闭方就会触发超时重发 FIN 报文，另一方接收到 FIN 后，会重发 ACK 给被动关闭方，一来一去正好 2 个 MSL。

`2MSL` 的时间是从客户端接收到 FIN 后发送 ACK 开始计时的。如果在 TIME-WAIT 时间内，因为客户端的 ACK 没有传输到服务端，客户端又接收到了服务端重发的 FIN 报文，那么 2MSL 时间将重新计时。

在 Linux 系统里 2MSL 默认是 60 秒，那么一个 MSL 也就是 30 秒。Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒。

其定义在 Linux 内核代码里的名称为 TCP_TIMEWAIT_LEN：

/* how long to wait to destroy TIME-WAIT state, about 60 seconds  */
#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) 

如果要修改 TIME_WAIT 的时间长度，只能修改 Linux 内核代码里 TCP_TIMEWAIT_LEN 的值，并重新编译 Linux 内核。

TIME_WAIT 过多有什么危害

如果服务器有处于 TIME-WAIT 状态的 TCP，则说明是由服务器方主动发起的断开请求。

在高并发短连接的TCP服务器上，当服务器处理完请求后立刻按照主动正常关闭连接。这个场景下，会出现大量socket处于TIMEWAIT状态。如果客户端的并发量持续很高，此时部分客户端就会显示连接不上。主动正常关闭TCP连接，都会出现TIMEWAIT。为什么我们要关注这个高并发短连接呢？有两个方面需要注意：

高并发可以让服务器在短时间范围内同时占用大量端口，而端口有个0~65535的范围，并不是很多，刨除系统和其他服务要用的，剩下的就更少了。
在这个场景中，短连接表示“业务处理+传输数据的时间远远小于 TIMEWAIT超时的时间”的连接。这里有个相对长短的概念，比如，取一个web页面，1秒钟的http短连接处理完业务，在关闭连接之后，这个业务用过的端口会停留在TIMEWAIT状态几分钟，而这几分钟，其他HTTP请求来临的时候是无法占用此端口的。单用这个业务计算服务器的利用率会发现，服务器干正经事的时间和端口（资源）被挂着无法被使用的时间的比例是 1：几百，服务器资源严重浪费。（说个题外话，从这个意义出发来考虑服务器性能调优的话，长连接业务的服务就不需要考虑TIMEWAIT状态。同时，假如你对服务器业务场景非常熟悉，你会发现，在实际业务场景中，一般长连接对应的业务的并发量并不会很高）

过多的 TIME-WAIT 状态主要的危害有两种：

第一是内存资源占用；
第二是对端口资源的占用，一个 TCP 连接至少消耗一个本地端口；

第二个危害是会造成严重的后果的，要知道，端口资源也是有限的，一般可以开启的端口为 32768～61000，也可以通过如下参数设置指定

net.ipv4.ip_local_port_range

如果服务端 TIME_WAIT 状态过多，占满了所有端口资源，则会导致无法创建新连接。

如何优化 TIME_WAIT

这里给出优化 TIME-WAIT 的几个方式，都是有利有弊：

打开 net.ipv4.tcp_tw_reuse、net.ipv4.tcp_tw_recycle 和 net.ipv4.tcp_timestamps 选项；⭐️
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets
程序中使用 SO_LINGER ，应用强制使用 RST 关闭。

方式一：net.ipv4.tcp_tw_reuse 和 tcp_timestamps

如下的 Linux 内核参数开启后，则可以复用处于 TIME_WAIT 的 socket 为新的连接所用和快速回收连接

net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

使用这个选项，还有一个前提，需要打开对 TCP 时间戳的支持，即

net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）

这个时间戳的字段是在 TCP 头部的「选项」里，用于记录 TCP 发送方的当前时间戳和从对端接收到的最新时间戳。

由于引入了时间戳，我们在前面提到的 2MSL 问题就不复存在了，因为重复的数据包会因为时间戳过期被自然丢弃。

温馨提醒：net.ipv4.tcp_tw_reuse要慎用，因为使用了它就必然要打开时间戳的支持 net.ipv4.tcp_timestamps，当客户端与服务端主机时间不同步时，客户端的发送的消息会被直接拒绝掉。

方式二：net.ipv4.tcp_max_tw_buckets

这个值默认为 18000，当系统中处于 TIME_WAIT 的连接一旦超过这个值时，系统就会将所有的 TIME_WAIT 连接状态重置。

这个方法过于暴力，而且治标不治本，带来的问题远比解决的问题多，不推荐使用。

方式三：程序中使用 SO_LINGER

我们可以通过设置 socket 选项，来设置调用 close 关闭连接行为。

struct linger so_linger;
so_linger.l_onoff = 1;
so_linger.l_linger = 0;
setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger,sizeof(so_linger));

如果l_onoff为非 0，且l_linger值为 0，那么调用close后，会立该发送一个RST标志给对端，该 TCP 连接将跳过四次挥手，也就跳过了TIME_WAIT状态，直接关闭。

但这为跨越`TIME_WAIT`状态提供了一个可能，不过是一个非常危险的行为，不值得提倡。

几个调优参数详细介绍

net.ipv4.tcp_timestamps

RFC 1323 在 TCP Reliability一节里，引入了timestamp的TCP选项，两个4字节的时间戳字段，其中第一个4字节字段用来保存发送该数据包的时间，第二个4字节字段用来保存最近一次接收对方发送到数据的时间。有了这两个时间字段，也就有了后续优化的余地。

tcp_tw_reuse 和 tcp_tw_recycle就依赖这些时间字段。

net.ipv4.tcp_tw_reuse

字面意思，reuse TIME_WAIT状态的连接。

时刻记住一条socket连接，就是那个五元组，出现TIME_WAIT状态的连接，一定出现在主动关闭连接的一方。所以，当主动关闭连接的一方，再次向对方发起连接请求的时候（例如，客户端关闭连接，客户端再次连接服务端，此时可以复用了；负载均衡服务器，主动关闭后端的连接，当有新的HTTP请求，负载均衡服务器再次连接后端服务器，此时也可以复用），可以复用TIME_WAIT状态的连接。

通过字面解释，以及例子说明，你看到了，tcp_tw_reuse应用的场景：某一方，需要不断的通过“短连接”连接其他服务器，总是自己先关闭连接(TIME_WAIT在自己这方)，关闭后又不断的重新连接对方。

那么，当连接被复用了之后，延迟或者重发的数据包到达，新的连接怎么判断，到达的数据是属于复用后的连接，还是复用前的连接呢？那就需要依赖前面提到的两个时间字段了。复用连接后，这条连接的时间被更新为当前的时间，当延迟的数据达到，延迟数据的时间是小于新连接的时间，所以，内核可以通过时间判断出，延迟的数据可以安全的丢弃掉了。

这个配置，依赖于连接双方，同时对timestamps的支持。同时，这个配置，仅仅影响outbound连接，即做为客户端的角色，连接服务端[connect(dest_ip, dest_port)]时复用TIME_WAIT的socket。

连接池可以复用连接，是不是意味着，需要等到上个连接time wait结束后才能再次使用?

所谓连接池复用，复用的一定是活跃的连接，所谓活跃，第一表明连接池里的连接都ESTABLISHED的，第二，连接池做为上层应用，会有定时的心跳去保持连接的活跃性。既然连接都是活跃的，那就不存在有TIME_WAIT的概念了，在上篇里也有提到，TIME_WAIT是在主动关闭连接的一方，在关闭连接后才进入的状态。既然已经关闭了，那么这条连接肯定已经不在连接池里面了，即被连接池释放了。

net.ipv4.tcp_tw_recycle

字面意思，销毁掉 TIME_WAIT。

当开启了这个配置后，内核会快速的回收处于TIME_WAIT状态的socket连接。不再是2MSL，而是一个RTO（retransmission timeout，数据包重传的timeout时间）的时间，这个时间根据RTT动态计算出来，但是远小于2MSL。

有了这个配置，还是需要保障 丢失重传或者延迟的数据包，不会被新的连接错误接收(注意，这里不再是复用了，而是之前处于TIME_WAIT状态的连接已经被destroy掉了，新的连接，刚好是和某一个被destroy掉的连接使用了相同的五元组而已)。在启用该配置，当一个socket连接进入TIME_WAIT状态后，内核里会记录包括该socket连接对应的五元组中的对方IP等在内的一些统计数据，当然也包括从该对方IP所接收到的最近的一次数据包时间。当有新的数据包到达，只要时间晚于内核记录的这个时间，数据包都会被统统的丢掉。

这个配置，依赖于连接双方对timestamps的支持。同时，这个配置，主要影响到了inbound的连接（对outbound的连接也有影响，但是不是复用），即做为服务端角色，客户端连进来，服务端主动关闭了连接，TIME_WAIT状态的socket处于服务端，服务端快速的回收该状态的连接。

其它优化方案

作为负载均衡的机器随机端口使用完的情况下大量time_wait，如果不调整上文的那三个参数，还有其他的更好的方案吗？

第一，随机端口使用完，你可以通过调整/etc/sysctl.conf下的net.ipv4.ip_local_port_range配置，至少修改成 net.ipv4.ip_local_port_range=1024 65535，保证你的负载均衡服务器至少可以使用6万个随机端口，也即可以有6万的反向代理到后端的连接，可以支持每秒1000的并发（想一想，因为TIME_WAIT状态会持续1分钟后消失，所以一分钟最多有6万，每秒1000）；如果这么多端口都使用完了，也证明你应该加服务器了，或者，你的负载均衡服务器需要配置多个IP地址，或者，你的后端服务器需要监听更多的端口和配置更多的IP（想一下socket的五元组）
第二，大量的TIME_WAIT，多大量？如果是几千个，其实不用担心，因为这个内存和CPU的消耗有一些，但是是可以忽略的。
第三，如果真的量很大，上万上万的那种，可以考虑，让后端的服务器主动关闭连接，如果后端服务器没有外网的连接只有负载均衡服务器的连接（主要是没有NAT网络的连接），可以在后端服务器上配置tw_recycle，然后同时，在负载均衡服务器上，配置tw_reuse。

谈谈TCP中的TIME_WAIT