TCP的有限状态机（TCP Finite State Machine）详解

字数 2436 2025-11-09 07:02:43

TCP的有限状态机（TCP Finite State Machine）详解

TCP连接的生命周期由一系列状态变化构成，这个状态变化的集合就是TCP有限状态机。理解状态机对于诊断网络连接问题、分析抓包数据至关重要。

一、状态机的基本构成

TCP状态机包含11种标准状态，分布在连接的建立（三次握手）、数据传输和终止（四次挥手）三个阶段。每个状态都代表连接的一个特定阶段。

二、连接建立阶段的状态流转（三次握手）

这个过程涉及客户端和服务器端状态的协同变化。

初始状态
- 服务器端：启动服务后，监听特定端口，进入 LISTEN 状态，等待客户端的连接请求。
第一次握手（客户端发起）
- 客户端：应用程序（如浏览器）调用 connect() 系统调用。操作系统内核会构建一个SYN标志位设置为1的TCP报文段并发送出去。随后，客户端连接进入 SYN-SENT 状态。
- 状态含义：SYN-SENT 表示“已发送SYN报文，正在等待对端的SYN-ACK应答”。此时，连接尚未建立，但客户端已经发起了请求。
第二次握手（服务器端响应）
- 服务器端：在 LISTEN 状态下收到客户端的SYN报文后，会做出两件事：
  a. 将该连接信息放入一个名为“半连接队列”（或SYN队列）的内核数据结构中。
  b. 回复一个SYN-ACK报文（SYN和ACK标志位均设为1）。然后，服务器端的该连接状态变为 SYN-RECEIVED。
- 状态含义：SYN-RECEIVED 表示“已收到并确认了对方的SYN，同时也发送了自己的SYN，正在等待对方的最终ACK”。此时，服务器端认为连接即将建立，但还需要最后一步确认。
第三次握手（客户端确认）
- 客户端：在 SYN-SENT 状态下收到服务器的SYN-ACK报文后，会进行确认：
  a. 确认序列号有效。
  b. 发送一个ACK报文（ACK标志位设为1）。
  c. 连接状态从 SYN-SENT 转变为 ESTABLISHED。
- 服务器端：在 SYN-RECEIVED 状态下收到客户端的ACK报文后，会进行确认：
  a. 验证ACK的有效性。
  b. 将该连接从“半连接队列”移入“全连接队列”（或ACCEPT队列）。
  c. 当服务器应用程序调用 accept() 系统调用时，内核从全连接队列中取出这个连接，服务器端的连接状态也随之变为 ESTABLISHED。
- 最终状态：ESTABLISHED 表示“连接已建立，双方可以开始双向数据传输”。这是连接的生命周期中持续时间最长的状态。

三、连接终止阶段的状态流转（四次挥手）

连接的关闭可以由任意一方发起，我们以客户端主动关闭为例。

第一次挥手（主动关闭方发起）
- 客户端：应用程序调用 close() 系统调用。内核发送一个FIN报文（FIN标志位设为1），表示数据发送完毕。客户端状态从 ESTABLISHED 变为 FIN-WAIT-1。
- 状态含义：FIN-WAIT-1 表示“已发送FIN，等待对方的ACK确认，也可能同时等待对方的FIN”。
第二次挥手（被动关闭方响应ACK）
- 服务器端：在 ESTABLISHED 状态下收到FIN报文后，会立即回复一个ACK报文进行确认。然后，服务器端状态变为 CLOSE-WAIT。
- 客户端：在 FIN-WAIT-1 状态下收到这个ACK后，状态变为 FIN-WAIT-2。
- 状态含义：
  - CLOSE-WAIT：表示“已收到对方的关闭请求（FIN），并已确认。本机正在等待应用程序调用close()来关闭连接”。此时，服务器端到客户端的方向可能还有数据要发送（半关闭状态）。
  - FIN-WAIT-2：表示“已收到对方对FIN的确认。现在正在等待对方发送FIN报文”。
第三次挥手（被动关闭方发起FIN）
- 服务器端：当应用程序也调用 close() 后，内核会发送一个FIN报文。服务器端状态从 CLOSE-WAIT 变为 LAST-ACK。
- 状态含义：LAST-ACK 表示“已发送自己的FIN，正在等待对方最后一个ACK确认”。
第四次挥手（主动关闭方响应ACK）
- 客户端：在 FIN-WAIT-2 状态下收到服务器的FIN报文后，会发送一个ACK报文进行确认。然后，客户端状态变为 TIME-WAIT。
- 服务器端：在 LAST-ACK 状态下收到ACK后，连接即被关闭，状态变为 CLOSED。
- 关键状态：TIME-WAIT 也称为2MSL等待状态。
  - 目的：主要有两个：1) 确保最后一个ACK能到达服务器端（如果丢失，服务器会重传FIN，客户端可以再次发送ACK）。2) 让本次连接持续时间内产生的所有网络报文都在网络中消失，避免与未来新的、相同四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）的连接收到旧的、延迟的报文，造成数据错乱。
  - 时长：持续时间通常是2倍的最大报文段生存时间（2MSL），在Linux下一般为60秒。超时后，客户端状态变为 CLOSED，连接彻底结束。

四、异常状态

CLOSING：一种相对罕见的状态。表示双方同时发送FIN（同时开始关闭连接），并都进入了 FIN-WAIT-1 状态。当双方都收到对方的FIN（而非ACK）时，就会进入 CLOSING 状态。在收到对方的ACK后，会进入 TIME-WAIT 状态。

总结
TCP有限状态机精确地描述了TCP连接从生到死的每一个步骤。排查网络问题时（如使用 netstat 或 ss 命令看到大量 TIME-WAIT、CLOSE-WAIT），通过分析连接所处的状态，可以快速定位问题根源（例如，大量 CLOSE-WAIT 可能意味着服务器应用程序没有正确调用 close()）。

TCP的有限状态机（TCP Finite State Machine）详解 TCP连接的生命周期由一系列状态变化构成，这个状态变化的集合就是TCP有限状态机。理解状态机对于诊断网络连接问题、分析抓包数据至关重要。一、状态机的基本构成 TCP状态机包含11种标准状态，分布在连接的建立（三次握手）、数据传输和终止（四次挥手）三个阶段。每个状态都代表连接的一个特定阶段。二、连接建立阶段的状态流转（三次握手）这个过程涉及客户端和服务器端状态的协同变化。初始状态服务器端：启动服务后，监听特定端口，进入 LISTEN 状态，等待客户端的连接请求。第一次握手（客户端发起）客户端：应用程序（如浏览器）调用 connect() 系统调用。操作系统内核会构建一个SYN标志位设置为1的TCP报文段并发送出去。随后，客户端连接进入 SYN-SENT 状态。状态含义： SYN-SENT 表示“已发送SYN报文，正在等待对端的SYN-ACK应答”。此时，连接尚未建立，但客户端已经发起了请求。第二次握手（服务器端响应）服务器端：在 LISTEN 状态下收到客户端的SYN报文后，会做出两件事： a. 将该连接信息放入一个名为“半连接队列”（或SYN队列）的内核数据结构中。 b. 回复一个SYN-ACK报文（SYN和ACK标志位均设为1）。然后，服务器端的该连接状态变为 SYN-RECEIVED 。状态含义： SYN-RECEIVED 表示“已收到并确认了对方的SYN，同时也发送了自己的SYN，正在等待对方的最终ACK”。此时，服务器端认为连接即将建立，但还需要最后一步确认。第三次握手（客户端确认）客户端：在 SYN-SENT 状态下收到服务器的SYN-ACK报文后，会进行确认： a. 确认序列号有效。 b. 发送一个ACK报文（ACK标志位设为1）。 c. 连接状态从 SYN-SENT 转变为 ESTABLISHED 。服务器端：在 SYN-RECEIVED 状态下收到客户端的ACK报文后，会进行确认： a. 验证ACK的有效性。 b. 将该连接从“半连接队列”移入“全连接队列”（或ACCEPT队列）。 c. 当服务器应用程序调用 accept() 系统调用时，内核从全连接队列中取出这个连接，服务器端的连接状态也随之变为 ESTABLISHED 。最终状态： ESTABLISHED 表示“连接已建立，双方可以开始双向数据传输”。这是连接的生命周期中持续时间最长的状态。三、连接终止阶段的状态流转（四次挥手）连接的关闭可以由任意一方发起，我们以客户端主动关闭为例。第一次挥手（主动关闭方发起）客户端：应用程序调用 close() 系统调用。内核发送一个FIN报文（FIN标志位设为1），表示数据发送完毕。客户端状态从 ESTABLISHED 变为 FIN-WAIT-1 。状态含义： FIN-WAIT-1 表示“已发送FIN，等待对方的ACK确认，也可能同时等待对方的FIN”。第二次挥手（被动关闭方响应ACK）服务器端：在 ESTABLISHED 状态下收到FIN报文后，会立即回复一个ACK报文进行确认。然后，服务器端状态变为 CLOSE-WAIT 。客户端：在 FIN-WAIT-1 状态下收到这个ACK后，状态变为 FIN-WAIT-2 。状态含义： CLOSE-WAIT ：表示“已收到对方的关闭请求（FIN），并已确认。本机正在等待应用程序调用 close() 来关闭连接”。此时，服务器端到客户端的方向可能还有数据要发送（半关闭状态）。 FIN-WAIT-2 ：表示“已收到对方对FIN的确认。现在正在等待对方发送FIN报文”。第三次挥手（被动关闭方发起FIN）服务器端：当应用程序也调用 close() 后，内核会发送一个FIN报文。服务器端状态从 CLOSE-WAIT 变为 LAST-ACK 。状态含义： LAST-ACK 表示“已发送自己的FIN，正在等待对方最后一个ACK确认”。第四次挥手（主动关闭方响应ACK）客户端：在 FIN-WAIT-2 状态下收到服务器的FIN报文后，会发送一个ACK报文进行确认。然后，客户端状态变为 TIME-WAIT 。服务器端：在 LAST-ACK 状态下收到ACK后，连接即被关闭，状态变为 CLOSED 。关键状态： TIME-WAIT 也称为2MSL等待状态。目的：主要有两个：1) 确保最后一个ACK能到达服务器端（如果丢失，服务器会重传FIN，客户端可以再次发送ACK）。2) 让本次连接持续时间内产生的所有网络报文都在网络中消失，避免与未来新的、相同四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）的连接收到旧的、延迟的报文，造成数据错乱。时长：持续时间通常是2倍的最大报文段生存时间（2MSL），在Linux下一般为60秒。超时后，客户端状态变为 CLOSED ，连接彻底结束。四、异常状态 CLOSING ：一种相对罕见的状态。表示双方同时发送FIN（同时开始关闭连接），并都进入了 FIN-WAIT-1 状态。当双方都收到对方的FIN（而非ACK）时，就会进入 CLOSING 状态。在收到对方的ACK后，会进入 TIME-WAIT 状态。总结 TCP有限状态机精确地描述了TCP连接从生到死的每一个步骤。排查网络问题时（如使用 netstat 或 ss 命令看到大量 TIME-WAIT 、 CLOSE-WAIT ），通过分析连接所处的状态，可以快速定位问题根源（例如，大量 CLOSE-WAIT 可能意味着服务器应用程序没有正确调用 close() ）。