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[導讀]客戶端主動調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),于是就會發(fā)送 FIN 報文,這個 FIN 報文代表客戶端不會再發(fā)送數(shù)據(jù)了,進入 FIN_WAIT_1 狀態(tài);

上周有位讀者面美團時,被問到:TCP 四次揮手中,能不能把第二次的 ACK 報文, 放到第三次 FIN 報文一起發(fā)送?
雖然我們在學習 TCP 揮手時,學到的是需要四次來完成 TCP 揮手,但是在一些情況下, TCP 四次揮手是可以變成 TCP 三次揮手的。
而且在用 wireshark 工具抓包的時候,我們也會??吹?TCP 揮手過程是三次,而不是四次,如下圖:
先來回答為什么 RFC 文檔里定義 TCP 揮手過程是要四次?
再來回答什么情況下,什么情況會出現(xiàn)三次揮手?

為什么 TCP 揮手需要四次?

TCP 四次揮手的過程如下:
具體過程:
  • 客戶端主動調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),于是就會發(fā)送 FIN 報文,這個  FIN 報文代表客戶端不會再發(fā)送數(shù)據(jù)了,進入 FIN_WAIT_1 狀態(tài);
  • 服務端收到了 FIN 報文,然后馬上回復一個 ACK 確認報文,此時服務端進入 CLOSE_WAIT 狀態(tài)。在收到 FIN 報文的時候,TCP 協(xié)議棧會為 FIN 包插入一個文件結(jié)束符 EOF 到接收緩沖區(qū)中,服務端應用程序可以通過 read 調(diào)用來感知這個 FIN 包,這個 EOF 會被放在已排隊等候的其他已接收的數(shù)據(jù)之后,所以必須要得繼續(xù) read 接收緩沖區(qū)已接收的數(shù)據(jù);
  • 接著,當服務端在 read 數(shù)據(jù)的時候,最后自然就會讀到 EOF,接著 read() 就會返回 0,這時服務端應用程序如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送的話,就發(fā)完數(shù)據(jù)后才調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),如果服務端應用程序沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的話,可以直接調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),這時服務端就會發(fā)一個 FIN 包,這個  FIN 報文代表服務端不會再發(fā)送數(shù)據(jù)了,之后處于 LAST_ACK 狀態(tài);
  • 客戶端接收到服務端的 FIN 包,并發(fā)送 ACK 確認包給服務端,此時客戶端將進入 TIME_WAIT 狀態(tài);
  • 服務端收到 ACK 確認包后,就進入了最后的 CLOSE 狀態(tài);
  • 客戶端經(jīng)過 2MSL 時間之后,也進入 CLOSE 狀態(tài);
你可以看到,每個方向都需要一個 FIN 和一個 ACK,因此通常被稱為四次揮手。

為什么 TCP 揮手需要四次呢?

服務器收到客戶端的 FIN 報文時,內(nèi)核會馬上回一個 ACK 應答報文,但是服務端應用程序可能還有數(shù)據(jù)要發(fā)送,所以并不能馬上發(fā)送 FIN 報文,而是將發(fā)送 FIN 報文的控制權(quán)交給服務端應用程序
  • 如果服務端應用程序有數(shù)據(jù)要發(fā)送的話,就發(fā)完數(shù)據(jù)后,才調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù);
  • 如果服務端應用程序沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的話,可以直接調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),
從上面過程可知,是否要發(fā)送第三次揮手的控制權(quán)不在內(nèi)核,而是在被動關(guān)閉方(上圖的服務端)的應用程序,因為應用程序可能還有數(shù)據(jù)要發(fā)送,由應用程序決定什么時候調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),當調(diào)用了關(guān)閉連接的函數(shù),內(nèi)核就會發(fā)送 FIN 報文了,所以服務端的 ACK 和 FIN 一般都會分開發(fā)送。
FIN 報文一定得調(diào)用關(guān)閉連接的函數(shù),才會發(fā)送嗎?
不一定。
如果進程退出了,不管是不是正常退出,還是異常退出(如進程崩潰),內(nèi)核都會發(fā)送 FIN 報文,與對方完成四次揮手。

粗暴關(guān)閉 vs 優(yōu)雅關(guān)閉

前面介紹 TCP 四次揮手的時候,并沒有詳細介紹關(guān)閉連接的函數(shù),其實關(guān)閉的連接的函數(shù)有兩種函數(shù):
  • close 函數(shù),同時 socket 關(guān)閉發(fā)送方向和讀取方向,也就是 socket 不再有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力。如果有多進程/多線程共享同一個 socket,如果有一個進程調(diào)用了 close 關(guān)閉只是讓 socket 引用計數(shù) -1,并不會導致 socket 不可用,同時也不會發(fā)出 FIN 報文,其他進程還是可以正常讀寫該 socket,直到引用計數(shù)變?yōu)?0,才會發(fā)出 FIN 報文。
  • shutdown 函數(shù),可以指定 socket 只關(guān)閉發(fā)送方向而不關(guān)閉讀取方向,也就是 socket 不再有發(fā)送數(shù)據(jù)的能力,但是還是具有接收數(shù)據(jù)的能力。如果有多進程/多線程共享同一個 socket,shutdown 則不管引用計數(shù),直接使得該 socket 不可用,然后發(fā)出 FIN 報文,如果有別的進程企圖使用該 socket,將會受到影響。
如果客戶端是用 close 函數(shù)來關(guān)閉連接,那么在 TCP 四次揮手過程中,如果收到了服務端發(fā)送的數(shù)據(jù),由于客戶端已經(jīng)不再具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力,所以客戶端的內(nèi)核會回 RST 報文給服務端,然后內(nèi)核會釋放連接,這時就不會經(jīng)歷完成的 TCP 四次揮手,所以我們常說,調(diào)用 close 是粗暴的關(guān)閉。
當服務端收到 RST 后,內(nèi)核就會釋放連接,當服務端應用程序再次發(fā)起讀操作或者寫操作時,就能感知到連接已經(jīng)被釋放了:
  • 如果是讀操作,則會返回 RST 的報錯,也就是我們常見的Connection reset by peer。
  • 如果是寫操作,那么程序會產(chǎn)生 SIGPIPE 信號,應用層代碼可以捕獲并處理信號,如果不處理,則默認情況下進程會終止,異常退出。
相對的,shutdown 函數(shù)因為可以指定只關(guān)閉發(fā)送方向而不關(guān)閉讀取方向,所以即使在 TCP 四次揮手過程中,如果收到了服務端發(fā)送的數(shù)據(jù),客戶端也是可以正常讀取到該數(shù)據(jù)的,然后就會經(jīng)歷完整的 TCP 四次揮手,所以我們常說,調(diào)用 shutdown 是優(yōu)雅的關(guān)閉。
但是注意,shutdown 函數(shù)也可以指定「只關(guān)閉讀取方向,而不關(guān)閉發(fā)送方向」,但是這時候內(nèi)核是不會發(fā)送 FIN 報文的,因為發(fā)送 FIN 報文是意味著我方將不再發(fā)送任何數(shù)據(jù),而 shutdown 如果指定「不關(guān)閉發(fā)送方向」,就意味著 socket 還有發(fā)送數(shù)據(jù)的能力,所以內(nèi)核就不會發(fā)送 FIN。

什么情況會出現(xiàn)三次揮手?

當被動關(guān)閉方(上圖的服務端)在 TCP 揮手過程中,「沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送」并且「開啟了 TCP 延遲確認機制」,那么第二和第三次揮手就會合并傳輸,這樣就出現(xiàn)了三次揮手。
然后因為 TCP 延遲確認機制是默認開啟的,所以導致我們抓包時,看見三次揮手的次數(shù)比四次揮手還多。
什么是  TCP 延遲確認機制?
當發(fā)送沒有攜帶數(shù)據(jù)的 ACK,它的網(wǎng)絡效率也是很低的,因為它也有 40 個字節(jié)的 IP 頭 和 TCP 頭,但卻沒有攜帶數(shù)據(jù)報文。
為了解決 ACK 傳輸效率低問題,所以就衍生出了 TCP 延遲確認。
TCP 延遲確認的策略:
  • 當有響應數(shù)據(jù)要發(fā)送時,ACK 會隨著響應數(shù)據(jù)一起立刻發(fā)送給對方
  • 當沒有響應數(shù)據(jù)要發(fā)送時,ACK 將會延遲一段時間,以等待是否有響應數(shù)據(jù)可以一起發(fā)送
  • 如果在延遲等待發(fā)送 ACK 期間,對方的第二個數(shù)據(jù)報文又到達了,這時就會立刻發(fā)送 ACK
延遲等待的時間是在 Linux 內(nèi)核中定義的,如下圖:

關(guān)鍵就需要 HZ 這個數(shù)值大小,HZ 是跟系統(tǒng)的時鐘頻率有關(guān),每個操作系統(tǒng)都不一樣,在我的 Linux 系統(tǒng)中 HZ 大小是 1000,如下圖:
知道了 HZ 的大小,那么就可以算出:
  • 最大延遲確認時間是 200 ms (1000/5)
  • 最短延遲確認時間是 40 ms (1000/25)
怎么關(guān)閉 TCP 延遲確認機制?
如果要關(guān)閉 TCP 延遲確認機制,可以在 Socket 設置里啟用 TCP_QUICKACK,啟用 TCP_QUICKACK,就相當于關(guān)閉 TCP 延遲確認機制。
// 1 表示開啟 TCP_QUICKACK,即關(guān)閉 TCP 延遲確認機制 int value = 1; setsockopt(socketfd, IPPROTO_TCP, TCP_QUICKACK, (char*)& value, sizeof(int));

實驗驗證

實驗一

接下來,來給大家做個實驗,驗證這個結(jié)論:
當被動關(guān)閉方(上圖的服務端)在 TCP 揮手過程中,「沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送」并且「開啟了 TCP 延遲確認機制」,那么第二和第三次揮手就會合并傳輸,這樣就出現(xiàn)了三次揮手。
服務端的代碼如下,做的事情很簡單,就讀取數(shù)據(jù),然后當 read 返回 0 的時候,就馬上調(diào)用 close 關(guān)閉連接。因為 TCP 延遲確認機制是默認開啟的,所以不需要特殊設置。
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define MAXLINE 1024 int main(int argc, char *argv[]) { // 1. 創(chuàng)建一個監(jiān)聽 socket int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(listenfd < 0)     { fprintf(stderr, "socket error : %s\n", strerror(errno)); return -1;     } // 2. 初始化服務器地址和端口 struct sockaddr_in server_addr; bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));     server_addr.sin_family = AF_INET;     server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);     server_addr.sin_port = htons(8888); // 3. 綁定地址+端口 if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr)) < 0)     { fprintf(stderr,"bind error:%s\n", strerror(errno)); return -1;     } printf("begin listen....\n"); // 4. 開始監(jiān)聽 if(listen(listenfd, 128))     { fprintf(stderr, "listen error:%s\n\a", strerror(errno)); exit(1);     } // 5. 獲取已連接的socket struct sockaddr_in client_addr; socklen_t client_addrlen = sizeof(client_addr); int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen); if(clientfd < 0) { fprintf(stderr, "accept error:%s\n\a", strerror(errno)); exit(1);     } printf("accept success\n"); char message[MAXLINE] = {0}; while(1) { //6. 讀取客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù) int n = read(clientfd, message, MAXLINE); if(n < 0) { // 讀取錯誤 fprintf(stderr, "read error:%s\n\a", strerror(errno)); break;         } else if(n == 0) { // 返回 0 ,代表讀到 FIN 報文 fprintf(stderr, "client closed \n");             close(clientfd); // 沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送,立馬關(guān)閉連接 break;         }         message[n] = 0; printf("received %d bytes: %s\n", n, message);     }       close(listenfd); return 0; }
客戶端代碼如下,做的事情也很簡單,與服務端連接成功后,就發(fā)送數(shù)據(jù)給服務端,然后睡眠一秒后,就調(diào)用 close 關(guān)閉連接,所以客戶端是主動關(guān)閉方:
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