TCP网络连接以及TIME_WAIT的意义
# 一. 三次握手
# tcp在建立连接时需要三次握手:
1.accept接受过程中等待客户端的连接,当客户端发起连接时,会发起一个syn连接请求, 2.服务端收到该连接请求之后会立即响应一个ack的响应,与此同时还会向客户端发送一个syn连接请求 3.当客户端收到服务端的ack响应请求和syn连接请求之后,再向服务端回应一个ack的响应请求就可以建立tcp连接了
# tcp的四次挥手:
1.再客户端和服务端的代码中都有一个close方法,当有一方主动断开时,也就是执行close方法时,就是一次fin断开请求,在发出断开连接请求之后,如果收到对方的断开确认ack请求之后,就可以结束一段段额断开了,这样就是两次请求; 2.当客户端和服务端双方都执行close方法,就会有两次断开请求和两次断开确认,这样就完成了连接断开,四次挥手;
# 为什么连接是三次,而握手需要四次:
因为在创建连接时,服务端收到客户端的连接请求后,会发送一个ack的响应和一个syn的请求,为了解决资源开销,这两个操作合并在了一起,就是三次握手了,但是在断开tcp连接的时候在一方断开请求的时候另一方可能还有数据正在传输,,为了确保数据传输的完整性,就需要四次挥手.
第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包（syn=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认；SYN：同步序列编号（Synchronize Sequence Numbers）。
第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。
# 二. 四次挥手
# tcp在建立连接时需要三次握手:
1.accept接受过程中等待客户端的连接,当客户端发起连接时,会发起一个syn连接请求, 2.服务端收到该连接请求之后会立即响应一个ack的响应,与此同时还会向客户端发送一个syn连接请求 3.当客户端收到服务端的ack响应请求和syn连接请求之后,再向服务端回应一个ack的响应请求就可以建立tcp连接了
# tcp的四次挥手:
1.再客户端和服务端的代码中都有一个close方法,当有一方主动断开时,也就是执行close方法时,就是一次fin断开请求,在发出断开连接请求之后,如果收到对方的断开确认ack请求之后,就可以结束一段段额断开了,这样就是两次请求; 2.当客户端和服务端双方都执行close方法,就会有两次断开请求和两次断开确认,这样就完成了连接断开,四次挥手;
# 为什么连接是三次,而握手需要四次:
因为在创建连接时,服务端收到客户端的连接请求后,会发送一个ack的响应和一个syn的请求,为了解决资源开销,这两个操作合并在了一起,就是三次握手了,但是在断开tcp连接的时候在一方断开请求的时候另一方可能还有数据正在传输,,为了确保数据传输的完整性,就需要四次挥手.
- 1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1），此时，客户端进入FIN-WAIT-1（终止等待1）状态。 TCP规定，FIN报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。
- 2）服务器收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号seq=v，此时，服务端就进入了CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。
- 3）客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）。
- 4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq=w，此时，服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。
- 5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是seq=u+1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2∗∗MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。
- 6)服务器只要收到了客户端发出的确认，立即进入CLOSED状态。同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。
# 三. 经典问题
【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次握手？
因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。
【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。
【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？
3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁
2
3
【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
TCP还设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。
# 四. 什么是TIME_WAIT
TIME_WAIT是TCP协议中断开连接所经历的一种状态。
- 我们在日常做服务器的研发中、或者面试网络部分知识的时候，会经常问到TIME_WAIT这个词，这个词作为服务端的开发者尤为重要。
上图是TCP连接的状态转换，包括了一些触发条件，如果不是很直观，可以对比看下面的简图。(三次握手四次挥手)
这里面作为主动关闭的一方(Client)出现了TIME_WAIT状态，目的是告诉Server端，自己没有需要发送的数据，但是它仍然保持了接收对方数据的能力，一个常见的关闭连接过程如下：
1、当客户端没有待发送的数据时，它会向服务端发送 FIN 消息，发送消息后会进入 FIN_WAIT_1 状态；
2、服务端接收到客户端的 FIN 消息后，会进入 CLOSE_WAIT 状态并向客户端发送 ACK 消息，客户端接收到 ACK 消息时会进入 FIN_WAIT_2 状态；
3、当服务端没有待发送的数据时，服务端会向客户端发送 FIN 消息；
4、客户端接收到 FIN 消息后，会进入 TIME_WAIT 状态并向服务端发送 ACK 消息，服务端收到后会进入 CLOSED 状态；
5、客户端等待两个最大数据段生命周期（Maximum segment lifetime，MSL）的时间后也会进入 CLOSED 状态；
# 五. 为什么需要TIME_WAIT
# TIME_WAIT 一定是发生在主动关闭一方
被动关闭一方，会直接进入
CLOSED状态，而主动关闭一方需要等待2*MSL时间才会最终关闭。原因：
1、防止被动关闭方的延迟数据被人窃取
2、防止被动关闭方没有收到最后的ACK
# 原因一：防止被动关闭方的延迟数据被人窃取
如上图所示，
1、在①中，服务端发送seq=1001的消息，由于网络延迟或其他原因，没有及时到达Client1客户端，导致整个包一直存留在网络环境的传输过程中。
2、在②中，Client1收到server的FIN包之后，变成了TIME_WAIT状态，这里假设TIME_WAIT等待的时间很短暂，那么，还没等之前的那个延迟包seq=1001到来，就回复给了Server最后一个ACK包。那么Server就会变成CLOSED状态。
3、在③中，相同的端口号的Client2的TCP链接被重用后
4、在④中，seq=1001的延迟包消息才发送给客户端，而这个延迟的消息却被Client2正常接收，主要就会给Client2带来严重的问题。所以TIME_WAIT不要轻易的调整，或者缩小时间，可能就会出现这种问题。
# 原因二：防止被动关闭方没有收到最后的ACK
该作用就是等待足够长的时间以确定远程的TCP链接收到了其发出的终止链接消息
FIN包的回执消息ACK包。
如上图所示：
1、在①中，CLient1端主动发起关闭链接，Server针对Client1的FIN回执了ACK包，然后接着发送了自己的FIN包，等待Client1回执最终的ACK包。
2、在②中，这里假设TIME_WAIT的时间不足够充分，当Server还没有收到 ACK 消息时，Client1就主动变成CLOSED状态。
3、在③中，由于Server一直没有等到自己FIN包的ACK应答包，导致一直处于LAST_ACK状态。
4、在④中，因为 服务端因为没有收到 ACK 消息，当Client2重新与Server建立TCP链接，认为当前连接是合法的，CLient2重新发送 SYN 消息请求握手时会收到Server的 RST 消息，连接建立的过程就会被终止。
所以，我们在默认情况下，如果客户端等待足够长的时间就会遇到以下两种情况：
- 服务端正常收到了
ACK消息并关闭当前 TCP 连接； - 服务端没有收到
ACK消息，重新发送FIN关闭连接并等待新的ACK消息；
只要客户端等待 2 MSL 的时间，客户端和服务端之间的连接就会正常关闭，新创建的 TCP 连接收到影响的概率也微乎其微，保证了数据传输的可靠性。