跳至主要內容

活久见！TCP两次挥手，你见过吗？那四次握手呢？

小白debug大约 20 分钟

我们都知道，TCP 是个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP是什么
TCP是什么

那这里面提到的"面向连接"，意味着需要 建立连接，使用连接，释放连接。

建立连接是指我们熟知的TCP 三次握手。

而使用连接，则是通过一发送、一确认的形式，进行数据传输。

还有就是释放连接，也就是我们常见的TCP 四次挥手。

TCP 四次挥手大家应该比较了解了，但大家见过三次挥手吗？还有两次挥手呢？

都见过？ 那四次握手呢？

今天这个话题，不想只是猎奇，也不想搞冷知识。

我们从四次挥手开始说起，搞点实用的知识点。


TCP 四次挥手

简单回顾下 TCP 四次挥手。

TCP四次挥手
TCP四次挥手

正常情况下。只要数据传输完了，不管是客户端还是服务端，都可以主动发起四次挥手，释放连接。

就跟上图画的一样，假设，这次四次挥手是由客户端主动发起的，那它就是主动方。服务器是被动接收客户端的挥手请求的，叫被动方。

客户端和服务器，一开始，都是处于ESTABLISHED状态。

第一次挥手：一般情况下，主动方执行close()或 shutdown()方法，会发个FIN报文出来，表示"我不再发送数据了"。

第二次挥手：在收到主动方的FIN报文后，被动方立马回应一个ACK，意思是"我收到你的 FIN 了，也知道你不再发数据了"。

上面提到的是主动方不再发送数据了。但如果这时候，被动方还有数据要发，那就继续发。注意，虽然第二次和第三次挥手之间，被动方是能发数据到主动方的，但主动方能不能正常收就不一定了，这个待会说。

第三次挥手：在被动方在感知到第二次挥手之后，会做了一系列的收尾工作，最后也调用一个 close(), 这时候就会发出第三次挥手的 FIN-ACK。

第四次挥手：主动方回一个ACK，意思是收到了。

其中第一次挥手和第三次挥手，都是我们在应用程序中主动触发的（比如调用close()方法），也就是我们平时写代码需要关注的地方。

第二和第四次挥手，都是内核协议栈自动帮我们完成的，我们写代码的时候碰不到这地方，因此也不需要太关心。

另外不管是主动还是被动，每方发出了一个 FIN 和一个ACK 。也收到了一个 FIN 和一个ACK 。这一点大家关注下，待会还会提到。

FIN 一定要程序执行 close()或 shutdown()才能发出吗？

不一定。一般情况下，通过对socket执行 close() 或 shutdown() 方法会发出FIN。但实际上，只要应用程序退出，不管是主动退出，还是被动退出（因为一些莫名其妙的原因被kill了）, 都会发出 FIN。

FIN 是指"我不再发送数据"，因此shutdown() 关闭读不会给对方发 FIN, 关闭写才会发 FIN。


如果机器上 FIN-WAIT-2 状态特别多，是为什么

根据上面的四次挥手图，可以看出，FIN-WAIT-2是主动方那边的状态。

处于这个状态的程序，一直在等第三次挥手的FIN。而第三次挥手需要由被动方在代码里执行close() 发出。

因此当机器上FIN-WAIT-2状态特别多，那一般来说，另外一台机器上会有大量的 CLOSE_WAIT。需要检查有大量的 CLOSE_WAIT的那台机器，为什么迟迟不愿调用close()关闭连接。

所以，如果机器上FIN-WAIT-2状态特别多，一般是因为对端一直不执行close()方法发出第三次挥手。

FIN-WAIT-2特别多的原因
FIN-WAIT-2特别多的原因

主动方在 close 之后收到的数据，会怎么处理

之前写的一篇文章《代码执行 send 成功后，数据就发出去了吗？》中，从源码的角度提到了，一般情况下，程序主动执行close()的时候；

  • 如果当前连接对应的socket的接收缓冲区有数据，会发RST。
  • 如果发送缓冲区有数据，那会等待发送完，再发第一次挥手的FIN。

大家知道，TCP 是全双工通信，意思是发送数据的同时，还可以接收数据。

Close()的含义是，此时要同时关闭发送和接收消息的功能。

也就是说，虽然理论上，第二次和第三次挥手之间，被动方是可以传数据给主动方的。

但如果 主动方的四次挥手是通过 close() 触发的，那主动方是不会去收这个消息的。而且还会回一个 RST。直接结束掉这次连接。

close()触发TCP四次挥手
close()触发TCP四次挥手

第二第三次挥手之间，不能传输数据吗？

也不是。前面提到Close()的含义是，要同时关闭发送和接收消息的功能。

那如果能做到只关闭发送消息，不关闭接收消息的功能，那就能继续收消息了。这种 half-close 的功能，通过调用shutdown() 方法就能做到。

int shutdown(int sock, int howto);

其中 howto 为断开方式。有以下取值：

  • SHUT_RD：关闭读。这时应用层不应该再尝试接收数据，内核协议栈中就算接收缓冲区收到数据也会被丢弃。
  • SHUT_WR：关闭写。如果发送缓冲区中还有数据没发，会将将数据传递到目标主机。
  • SHUT_RDWR：关闭读和写。相当于close()了。
shutdown触发的TCP四次挥手
shutdown触发的TCP四次挥手

怎么知道对端 socket 执行了 close 还是 shutdown

不管主动关闭方调用的是close()还是shutdown()，对于被动方来说，收到的就只有一个FIN。

被动关闭方就懵了，"我怎么知道对方让不让我继续发数据？"

其实，大可不必纠结，该发就发。

第二次挥手和第三次挥手之间，如果被动关闭方想发数据，那么在代码层面上，就是执行了 send() 方法。

int send( SOCKET s,const char* buf,int len,int flags);

send() 会把数据拷贝到本机的发送缓冲区。如果发送缓冲区没出问题，都能拷贝进去，所以正常情况下，send()一般都会返回成功。

tcp_sendmsg逻辑
tcp_sendmsg逻辑

然后被动方内核协议栈会把数据发给主动关闭方。

  • 如果上一次主动关闭方调用的是shutdown(socket_fd, SHUT_WR)。那此时，主动关闭方不再发送消息，但能接收被动方的消息，一切如常，皆大欢喜。

  • 如果上一次主动关闭方调用的是close()。那主动方在收到被动方的数据后会直接丢弃，然后回一个RST。

针对第二种情况。

被动方内核协议栈收到了RST，会把连接关闭。但内核连接关闭了，应用层也不知道（除非被通知）。

此时被动方应用层接下来的操作，无非就是读或写。

  • 如果是读，则会返回RST的报错，也就是我们常见的Connection reset by peer。

  • 如果是写，那么程序会产生SIGPIPE信号，应用层代码可以捕获并处理信号，如果不处理，则默认情况下进程会终止，异常退出。


总结一下，当被动关闭方 recv() 返回EOF时，说明主动方通过 close()或 shutdown(fd, SHUT_WR) 发起了第一次挥手。

如果此时被动方执行两次 send()。

  • 第一次send(), 一般会成功返回。

  • 第二次send()时。如果主动方是通过 shutdown(fd, SHUT_WR) 发起的第一次挥手，那此时send()还是会成功。如果主动方通过 close()发起的第一次挥手，那此时会产生SIGPIPE信号，进程默认会终止，异常退出。不想异常退出的话，记得捕获处理这个信号。


如果被动方一直不发第三次挥手，会怎么样

第三次挥手，是由被动方主动触发的，比如调用close()。

如果由于代码错误或者其他一些原因，被动方就是不执行第三次挥手。

这时候，主动方会根据自身第一次挥手的时候用的是 close() 还是 shutdown(fd, SHUT_WR) ，有不同的行为表现。

  • 如果是 shutdown(fd, SHUT_WR) ，说明主动方其实只关闭了写，但还可以读，此时会一直处于 FIN-WAIT-2， 死等被动方的第三次挥手。

  • 如果是 close()， 说明主动方读写都关闭了，这时候会处于 FIN-WAIT-2一段时间，这个时间由 net.ipv4.tcp_fin_timeout 控制，一般是 60s，这个值正好跟2MSL一样 。超过这段时间之后，状态不会变成 TIME-WAIT，而是直接变成CLOSED。

# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout
60
一直不发第三次挥手的情况
一直不发第三次挥手的情况

TCP 三次挥手

四次挥手聊完了，那有没有可能出现三次挥手？

是可能的。

我们知道，TCP 四次挥手里，第二次和第三次挥手之间，是有可能有数据传输的。第三次挥手的目的是为了告诉主动方，"被动方没有数据要发了"。

所以，在第一次挥手之后，如果被动方没有数据要发给主动方。第二和第三次挥手是有可能合并传输的。这样就出现了三次挥手。

TCP三次挥手
TCP三次挥手

如果有数据要发，就不能是三次挥手了吗

上面提到的是没有数据要发的情况，如果第二、第三次挥手之间有数据要发，就不可能变成三次挥手了吗？

并不是。TCP 中还有个特性叫延迟确认。可以简单理解为**：接收方收到数据以后不需要立刻马上回复 ACK 确认包。**

在此基础上，不是每一次发送数据包都能对应收到一个 ACK 确认包，因为接收方可以合并确认。

而这个合并确认，放在四次挥手里，可以把第二次挥手、第三次挥手，以及他们之间的数据传输都合并在一起发送。因此也就出现了三次挥手。

TCP三次挥手延迟确认
TCP三次挥手延迟确认

TCP 两次挥手

前面在四次挥手中提到，关闭的时候双方都发出了一个 FIN 和收到了一个 ACK。

正常情况下 TCP 连接的两端，是不同IP+端口的进程。

但如果 TCP 连接的两端，IP+端口是一样的情况下，那么在关闭连接的时候，也同样做到了一端发出了一个 FIN，也收到了一个 ACK，只不过正好这两端其实是同一个socket 。

TCP两次挥手
TCP两次挥手

而这种两端IP+端口都一样的连接，叫TCP 自连接。

是的，你没看错，我也没打错别字。同一个 socket 确实可以自己连自己，形成一个连接。


一个 socket 能建立连接？

上面提到了，同一个客户端 socket，自己对自己发起连接请求。是可以成功建立连接的。这样的连接，叫TCP 自连接。

下面我们尝试下复现。

注意我是在以下系统进行的实验。在mac上多半无法复现。

#  cat /etc/os-release
NAME="CentOS Linux"
VERSION="7 (Core)"
ID="centos"
ID_LIKE="rhel fedora"
VERSION_ID="7"
PRETTY_NAME="CentOS Linux 7 (Core)"

通过nc命令可以很简单的创建一个TCP 自连接

# nc -p 6666 127.0.0.1 6666

上面的 -p 可以指定源端口号。也就是指定了一个端口号为6666的客户端去连接 127.0.0.1:6666 。

# netstat -nt | grep 6666
tcp        0      0 127.0.0.1:6666          127.0.0.1:6666          ESTABLISHED

整个过程中，都没有服务端参与。可以抓个包看下。

image-20210810093309117
image-20210810093309117

可以看到，相同的 socket，自己连自己的时候，握手是三次的。挥手是两次的。

TCP自连接
TCP自连接

上面这张图里，左右都是同一个客户端，把它画成两个是为了方便大家理解状态的迁移。

我们可以拿自连接的握手状态对比下正常情况下的 TCP 三次握手。

正常情况下的TCP三次握手
正常情况下的TCP三次握手

看了自连接的状态图，再看看下面几个问题。


一端发出第一次握手后，如果又收到了第一次握手的 SYN 包，TCP 连接状态会怎么变化？

第一次握手过后，连接状态就变成了SYN_SENT状态。如果此时又收到了第一次握手的 SYN 包，那么连接状态就会从SYN_SENT状态变成SYN_RCVD。

// net/ipv4/tcp_input.c
static int tcp_rcv_synsent_state_process()
{
    // SYN_SENT状态下，收到SYN包
	if (th->syn) {
        // 状态置为 SYN_RCVD
		tcp_set_state(sk, TCP_SYN_RECV);
	}
}

一端发出第二次握手后，如果又收到第二次握手的 SYN+ACK 包，TCP 连接状态会怎么变化？

第二握手过后，连接状态就变为SYN_RCVD了，此时如果再收到第二次握手的SYN+ACK包。连接状态会变为ESTABLISHED。

// net/ipv4/tcp_input.c
int tcp_rcv_state_process()
{
    // 前面省略很多逻辑，能走到这就认为肯定有ACK
	if (true) {
        // 判断下这个ack是否合法
		int acceptable = tcp_ack(sk, skb, FLAG_SLOWPATH | FLAG_UPDATE_TS_RECENT) > 0;
		switch (sk->sk_state) {
		case TCP_SYN_RECV:
			if (acceptable) {
        // 状态从 SYN_RCVD 转为 ESTABLISHED
				tcp_set_state(sk, TCP_ESTABLISHED);
			}
		}
	}
}

一端第一次挥手后，又收到第一次挥手的包，TCP 连接状态会怎么变化？

第一次挥手过后，一端状态就会变成 FIN-WAIT-1。正常情况下，是要等待第二次挥手的ACK。但实际上却等来了 一个第一次挥手的 FIN包， 这时候连接状态就会变为CLOSING。

// net/
static void tcp_fin(struct sock *sk)
{
	switch (sk->sk_state) {
	case TCP_FIN_WAIT1:
		tcp_send_ack(sk);
    // FIN-WAIT-1状态下，收到了FIN，转为 CLOSING
		tcp_set_state(sk, TCP_CLOSING);
		break;
	}
}

这可以说是隐藏剧情了。

CLOSING 很少见，除了出现在自连接关闭外，一般还会出现在 TCP 两端同时关闭连接的情况下。

处于CLOSING状态下时，只要再收到一个ACK，就能进入 TIME-WAIT 状态，然后等个2MSL，连接就彻底断开了。这跟正常的四次挥手还是有些差别的。大家可以滑到文章开头的 TCP 四次挥手再对比下。


代码复现自连接

可能大家会产生怀疑，这是不是nc这个软件本身的bug。

那我们可以尝试下用strace看看它内部都做了啥。

# strace nc -p 6666 127.0.0.1 6666
// ...
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
fcntl(3, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
fcntl(3, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
bind(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(6666), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(6666), sin_addr=inet_addr("127.0.0.1")}, 16) = -1 EINPROGRESS (Operation now in progress)
// ...

无非就是以创建了一个客户端socket句柄，然后对这个句柄执行 bind, 绑定它的端口号是6666，然后再向 127.0.0.1:6666发起connect方法。

我们可以尝试用C语言去复现一遍。

下面的代码，只用于复现问题。直接跳过也完全不影响阅读。

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


int main()
{
    int lfd, cfd;
    struct sockaddr_in serv_addr, clie_addr;
    socklen_t clie_addr_len;
    char buf[BUFSIZ];
    int n = 0, i = 0, ret = 0 ;
    printf("This is a client \n");

    /*Step 1: 创建客户端端socket描述符cfd*/
    cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(cfd == -1)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    int flag=1,len=sizeof(int);
	if( setsockopt(cfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) == -1)
	{
		perror("setsockopt");
		exit(1);
	}


    bzero(&clie_addr, sizeof(clie_addr));
    clie_addr.sin_family = AF_INET;
    clie_addr.sin_port = htons(6666);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1", &clie_addr.sin_addr.s_addr);

    /*Step 2: 客户端使用bind绑定客户端的IP和端口*/
    ret = bind(cfd, (struct sockaddr* )&clie_addr, sizeof(clie_addr));
    if(ret != 0)
    {
        perror("bind error");
        exit(2);
    }

    /*Step 3: connect链接服务器端的IP和端口号*/
    bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(6666);
    inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);
    ret = connect(cfd,(struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    if(ret != 0)
    {
        perror("connect error");
        exit(3);
    }

    /*Step 4: 向服务器端写数据*/
    while(1)
    {
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        write(cfd, buf, strlen(buf));
        n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);//写到屏幕上
    }
    /*Step 5: 关闭socket描述符*/
    close(cfd);
    return 0;
}

保存为 client.c 文件，然后执行下面命令，会发现连接成功。

# gcc client.c -o client && ./client
This is a client

# netstat -nt | grep 6666
tcp        0      0 127.0.0.1:6666          127.0.0.1:6666          ESTABLISHED

说明，这不是 nc 的 bug。事实上，这也是内核允许的一种情况。


自连接的解决方案

自连接一般不太常见，但遇到了也不难解决。

解决方案比较简单，只要能保证客户端和服务端的端口不一致就行。

事实上，我们写代码的时候一般不会去指定客户端的端口，系统会随机给客户端分配某个范围内的端口。而这个范围，可以通过下面的命令进行查询

# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
32768   60999

也就是只要我们的服务器端口不在32768-60999这个范围内，比如设置为8888。就可以规避掉这个问题。

另外一个解决方案，可以参考golang标准网络库的实现，在连接建立完成之后判断下 IP 和端口是否一致，如果遇到自连接，则断开重试。

func dialTCP(net string, laddr, raddr *TCPAddr, deadline time.Time) (*TCPConn, error) {
	// 如果是自连接，这里会重试
	for i := 0; i < 2 && (laddr == nil || laddr.Port == 0) && (selfConnect(fd, err) || spuriousENOTAVAIL(err)); i++ {
		if err == nil {
			fd.Close()
		}
		fd, err = internetSocket(net, laddr, raddr, deadline, syscall.SOCK_STREAM, 0, "dial", sockaddrToTCP)
	}
    // ...
}

func selfConnect(fd *netFD, err error) bool {
	// 判断是否端口、IP一致
	return l.Port == r.Port && l.IP.Equal(r.IP)
}

四次握手

前面提到的TCP自连接是一个客户端自己连自己的场景。那不同客户端之间是否可以互联？

答案是可以的，有一种情况叫TCP 同时打开。

TCP同时打开
TCP同时打开

大家可以对比下，TCP 同时打开在握手时的状态变化，跟 TCP 自连接是非常的像。

比如SYN_SENT状态下，又收到了一个SYN，其实就相当于自连接里，在发出了第一次握手后，又收到了第一次握手的请求。结果都是变成 SYN_RCVD。

在 SYN_RCVD 状态下收到了 SYN+ACK，就相当于自连接里，在发出第二次握手后，又收到第二次握手的请求，结果都是变成 ESTABLISHED。他们的源码其实都是同一块逻辑。


复现 TCP 同时打开

分别在两个控制台下，分别执行下面两行命令。

while true; do nc -p 2224 127.0.0.1 2223 -v;done

while true; do nc -p 2223 127.0.0.1 2224 -v;done

上面两个命令的含义也比较简单，两个客户端互相请求连接对方的端口号，如果失败了则不停重试。

执行后看到的现象是，一开始会疯狂失败，重试。一段时间后，连接建立完成。

# netstat -an | grep  2223
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
tcp        0      0 127.0.0.1:2224          127.0.0.1:2223          ESTABLISHED
tcp        0      0 127.0.0.1:2223          127.0.0.1:2224          ESTABLISHED

期间抓包获得下面的结果。

可以看到，这里面建立连接用了四次交互。因此可以说这是通过**"四次握手"**建立的连接。

而且更重要的是，这里面只涉及两个客户端，没有服务端。

看到这里，不知道大家有没有跟我一样，被刷新了一波认知，对socket有了重新的认识。

在以前的观念里，建立连接，必须要有一个客户端和一个服务端，并且服务端还要执行一个listen()和一个accept()。而实际上，这些都不是必须的。

那么下次，面试官问你**"没有listen()， TCP 能建立连接吗？"**， 我想大家应该知道该怎么回答了。

但问题又来了，只有两个客户端，没有listen() ，为什么能建立TCP连接？

如果大家感兴趣，我们以后有机会再填上这个坑。


总结

  • 四次挥手中，不管是程序主动执行close()，还是进程被杀，都有可能发出第一次挥手FIN包。如果机器上FIN-WAIT-2状态特别多，一般是因为对端一直不执行close()方法发出第三次挥手。

  • Close()会同时关闭发送和接收消息的功能。shutdown() 能单独关闭发送或接受消息。

  • 第二、第三次挥手，是有可能合在一起的。于是四次挥手就变成三次挥手了。

  • 同一个 socket 自己连自己，会产生TCP 自连接，自连接的挥手是两次挥手。

  • 没有listen，两个客户端之间也能建立连接。这种情况叫TCP 同时打开，它由四次握手产生。


最后

今天提到的，不管是两次挥手，还是自连接，或是TCP 同时打开什么的。

咋一看，可能对日常搬砖没什么用，实际上也确实没什么用。

并且在面试上大概率也不会被问到。

毕竟一般面试官也不在意茴字有几种写法。

这篇文章的目的，主要是想从另外一个角度让大家重新认识下socket。原来TCP是可以自己连自己的，甚至两个客户端之间，不用服务端也能连起来。

这实在是，太出乎意料了。



如果文章对你有帮助，欢迎.....

算了。

兄弟们都是自家人，点不点赞，在不在看什么的，没关系的，大家看开心了就好。

在看，点赞什么的，我不是特别在意，真的，真的，别不信啊。

不三连也真的没关系的。

兄弟们不要在意啊。

我是虚伪的小白，我们下期见！


别说了，一起在知识的海洋里呛水吧

关注公众号:【小白 debug】


不满足于在留言区说骚话？

加我，我们建了个划水吹牛皮群，在群里，你可以跟你下次跳槽可能遇到的同事或面试官聊点阳间的话题。就超！开！心！

文章推荐：

关注公众号「小白debug」,回复「面试」获面试题集pdf
Copyright © 2024 小白debug