TCP连接断开：为什么要挥手四次
本文分享自华为云社区《解密TCP连接断开：四次挥手的奥秘和数据传输的安全》，作者： 努力的小雨 。
TCP 连接断开
在当今数字化时代，互联网已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。而在互联网的基础之上，TCP协议扮演着关键的角色，它负责着数据在网络中的可靠传输。在TCP连接的建立过程中，我们已经了解了三次握手的过程和原理。然而，连接的建立只是TCP协议的一部分，同样重要的是连接的断开过程。本文将重点探讨TCP连接的断开过程，包括四次挥手的过程和状态变迁，以及为什么挥手需要四次和为什么需要TIME_WAIT状态。通过深入理解TCP连接断开的过程，我们可以更好地理解网络通信的原理
TCP 四次挥手过程和状态变迁
TCP断开连接需要通过四次挥手的方式。双方都有能力主动断开连接，一旦断开连接，主机中的各种「资源」将被释放。那么我们将详细讲解下TCP四次挥手的原理及过程！
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当客户端打算关闭连接时，它会发送一个TCP首部中FIN标志位被置为1的报文，即FIN报文。随后，客户端进入FIN_WAIT_1状态。
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当服务端收到该报文后，会向客户端发送一个ACK应答报文，并进入CLOSED_WAIT状态。
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客户端接收到服务端的ACK应答报文后，进入FIN_WAIT_2状态。
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服务端等待处理完数据后，也会向客户端发送一个FIN报文，然后进入LAST_ACK状态。
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客户端收到服务端的FIN报文后，会回复一个ACK应答报文，并进入TIME_WAIT状态。
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一旦服务端收到了ACK应答报文，就进入CLOSE状态，这样服务端就完成了连接的关闭。
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客户端经过2MSL一段时间后，自动进入CLOSE状态，这样客户端也完成了连接的关闭。
在TCP连接的断开过程中，我们可以观察到每个方向都需要发送一个FIN报文和接收一个ACK报文，因此通常将这个过程称为四次挥手。
需要注意的一点是，只有主动发起关闭连接的一方，才会进入TIME_WAIT状态。这是因为在关闭连接后，客户端需要等待一段时间（通常为两倍的最大报文段生存时间，也即2MSL）来确保服务端收到了自己的ACK应答报文。这样做的目的是为了防止已经关闭的连接上出现延迟的报文段，确保连接的可靠关闭。而服务端则不需要等待这段时间，因此没有TIME_WAIT状态。
为什么挥手需要四次？
为了更好地理解为什么挥手需要四次，让我们再来回顾一下双方发出FIN包的过程。这样我们就能理解为什么需要四次挥手了。
在关闭连接时，当客户端向服务端发送FIN时，这仅仅表示客户端不再发送数据了，但是它仍然可以接收数据。
当服务端收到客户端的FIN报文时，它首先会回复一个ACK应答报文。然而，服务端可能还有数据需要处理和发送，所以它会等待直到它不再发送数据时，才会发送FIN报文给客户端，表示同意现在关闭连接。
通过上述过程，我们可以看出，服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的ACK和FIN通常会分开发送，这就导致了比三次握手多了一次挥手的过程。
为什么 TIME_WAIT 等待的时间是 2MSL？
MSL是Maximum Segment Lifetime，即报文的最大生存时间，它表示报文在网络中存在的最长时间。超过此时间，报文将被丢弃。因为TCP协议是基于IP协议的，IP头部有一个TTL字段，它表示数据报可以经过的最大路由数。每经过一个路由器，TTL值就减1。当TTL值为0时，数据报将被丢弃，并且发送ICMP报文通知源主机。
MSL和TTL的区别在于单位。MSL的单位是时间，而TTL是经过的路由跳数。因此，为了确保报文已经自然消亡，MSL应该大于或等于TTL消耗为0的时间。
TIME_WAIT等待2倍MSL的合理解释是：网络中可能存在来自发送方的数据包。当这些数据包被接收方处理后，它会向对方发送响应，因此往返需要等待2倍的时间。就是确保最后一个ACK被服务端接收到了，如果没有接收到也要给足时间让服务器端的第三次挥手的FIN重新传过来。
举个例子，如果被动关闭方没有收到断开连接的最后一个ACK报文，就会触发超时重发FIN报文。另一方收到FIN报文后，会重发ACK给被动关闭方，这样来回就需要2个MSL的时间。
2MSL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系统中，默认的2MSL时间是60秒，即一个MSL为30秒。Linux系统停留在TIME_WAIT状态的时间是固定的60秒。在Linux内核代码中，它的定义名为TCP_TIMEWAIT_LEN：
#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to destroy TIME-WAIT
state, about 60 seconds */
如果要修改TIME_WAIT的时间长度，只能修改Linux内核代码中TCP_TIMEWAIT_LEN的值，并重新编译Linux内核。
为什么需要 TIME_WAIT 状态？
TIME_WAIT 状态的存在是为了确保网络连接的可靠关闭。只有主动发起关闭连接的一方（即主动关闭方）才会有 TIME_WAIT 状态。
TIME_WAIT 状态的需求主要有两个原因：
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防止具有相同「四元组」的「旧」数据包被收到：在网络通信中，每个 TCP 连接都由源 IP 地址、源端口号、目标 IP 地址和目标端口号这四个元素唯一标识，称为「四元组」。当一方主动关闭连接后，进入 TIME_WAIT 状态，它仍然可以接收到一段时间内来自对方的延迟数据包。这是因为网络中可能存在被延迟传输的数据包，如果没有 TIME_WAIT 状态的存在，这些延迟数据包可能会被错误地传递给新的连接，导致数据混乱。通过保持 TIME_WAIT 状态，可以防止旧的数据包干扰新的连接。
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保证「被动关闭连接」的一方能被正确关闭：当连接的被动关闭方接收到主动关闭方的 FIN 报文（表示关闭连接），它需要发送一个确认 ACK 报文给主动关闭方，以完成连接的关闭。然而，网络是不可靠的，ACK 报文可能会在传输过程中丢失。如果主动关闭方在收到 ACK 报文之前就关闭连接，被动关闭方将无法正常完成连接的关闭。TIME_WAIT 状态的存在确保了被动关闭方能够接收到最后的 ACK 报文，从而帮助其正常关闭连接。
防止旧连接的数据包
假设TIME-WAIT状态没有适当的等待时间或时间过短，延迟的数据包抵达后可能会引发严重的问题。
例如，服务端在关闭连接之前发送的SEQ = 301报文被网络延迟了。然后，同一端口的TCP连接被复用，并且延迟的SEQ = 301到达了客户端。在这种情况下，客户端有可能正常地接收到这个过期的报文，从而导致数据错乱等严重问题的发生。
为了解决这个问题，TCP设计了一个机制，即经过2MSL的时间，足够让连接中的两个方向上的数据包都被丢弃。这样，原来连接的数据包在网络中自然消失，再出现的数据包一定是由新建立的连接产生的，从而避免了数据错乱等问题的发生。
保证连接正确关闭
TIME-WAIT状态的作用是等待足够的时间，以确保最后的ACK报文能够被被动关闭方接收，并帮助其正常关闭。
假设TIME-WAIT没有适当的等待时间或时间过短，断开连接可能会导致以下问题：
例如，如果在四次挥手的过程中，客户端发送的最后一个ACK报文在网络中丢失，并且客户端的TIME-WAIT状态过短或没有设置，则客户端会直接进入CLOSE状态，而服务端则会一直处于LAST-ACK状态。这种情况下，连接无法正常关闭。
另外，当客户端发起建立连接的SYN请求后，如果服务端发送的RST报文给客户端，连接建立的过程将会被终止。
如果TIME-WAIT等待的时间足够长，会发生以下两种情况：
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服务端正常接收到四次挥手的最后一个ACK报文，从而正常关闭连接。
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服务端没有收到四次挥手的最后一个ACK报文时，会重发FIN关闭连接报文并等待新的ACK报文。
因此，客户端在TIME-WAIT状态等待2MSL时间后，可以确保双方的连接都能够正常关闭。
这里再科普一下有关知识，大多数三次握手和四次挥手都没有提到。为什么第三次挥手的时候会发送ack呢？不是正常就是发送fin就可以了吗？
在TCP协议中，除了初始连接的第一个SYN包，其中ACK字段被设置为0，而其他所有的TCP包都会将ACK字段设置为1。这个ACK字段的作用是用来确认接收方已经成功接收到数据。如果有数据需要发送，TCP协议会在发送数据的同时附带ACK来确认对方的数据。如果数据在传输过程中丢失，TCP会进行数据重传。ACK字段是TCP头部必备的，这32个位空着也是空着，那么干脆让除了初始报文段之外的所有报文段的ACK字段都有效。
总结
TCP连接的断开需要通过四次挥手的过程来完成。双方都有能力主动断开连接，并且在断开连接后，各种资源将被释放。四次挥手的过程涉及到双方发送FIN和ACK报文的交互，确保数据的可靠传输和连接的正确关闭。其中，主动关闭方会进入TIME_WAIT状态，等待一段时间来确保对方已经接收到最后的ACK报文。TIME_WAIT状态的存在是为了防止旧连接的数据包干扰新连接，并确保被动关闭方能够正常关闭连接。挥手需要四次的原因是为了确保数据的完整传输和连接的可靠关闭。TIME_WAIT状态等待2倍MSL的时间是为了确保网络中的数据包都已经消失。
