TCP状态图和常见问题

来源：互联网发布：剑雨逍遥进阶数据图片编辑：程序博客网时间：2024/06/10 04:33

TCP共有9个网路状态，其中涉及到关闭的状态有5个。

在我们编写网络相关程序的时候，这5个状态经常出现。因为这5个状态相互关联，相互纠缠，而且状态变化触发都是由应用触发，但是又涉及操作系统和网络，所以正确的理解TCP 在关闭时网络状态变化情况，为我们诊断网络中各种问题，快速定位故障有着非常重要的作用和意义。

为此，我根据W.Richard Stevens的《TCP/IP详解》一书，将这5个状态制成一个时序图（其实原书也有这个图，但不是很好理解），其中黑色字体来表示应用程序行为，红色字体是操作系统行为。

TCP状态转换图

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深刻理解上面两幅图对于编写基于TCP/IP的应用直观重要，尤其是在链接不正常时，非常有助于定位问题所在。下面给出一些常见问题和解答。

netstat -na -P tcp-f inet | grep TIME_WAIT

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不要设置tcpb_time_wait_expire成零，只要是一个很小的值就可以了。这里必须同

时设置tcpb_time_wait_expire和tcpb_state，只设置其中一个达不到效果。

利用adb从TCPS_ESTABLISHED变为TCPS_CLOSE_WAIT，可以使一条TCP连接不再工作，但这条连接并未销毁，tcpb_t结构也未删除。

利用adb从TCPS_ESTABLISHED变为TCPS_CLOSED，会导致整个操作系统崩溃。可能是下层tcpb_t结构被删除，而上层socket并不了解，出现非法指针。

简化一下kill_timewait.sh

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#! /sbin/sh

ndd /dev/tcptcp_status | nawk '{print $1 " " $2 " " $16 $17 " " $18}' | egrep 'TIME_WAIT'

echo

/usr/bin/echo'TCPB address to terminate: /c'

read tcpb_addr

echo

adb -kw /dev/ksyms/dev/mem << NSFOCUS_EOF

$tcpb_addr+0x30/Z0t6

$tcpb_addr+0x40/W-6

/$q

NSFOCUS_EOF

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还可以写一个脚本自动清除所有TIME_WAIT状态TCP连接

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#! /sbin/sh

ndd /dev/tcptcp_status | nawk '{print $1 " " $2 " " $16 $17 " " $18}' | /

egrep 'TIME_WAIT'| cut -d' ' -f1 | while read tcpb_addr

adb -kw /dev/ksyms/dev/mem << NSFOCUS_EOF

$tcpb_addr+0x30/Z0t6

$tcpb_addr+0x40/W-6

/$q

NSFOCUS_EOF

Done

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Q: 我正在写一个unix server程序，不是daemon，经常需要在命令行上重启它，绝大多数时候工作正常，但是某些时候会报告"bind: address in use"，于是重启失败。

A: Andrew Gierth
server程序总是应该在调用bind()之前设置SO_REUSEADDR套接字选项。至于 TIME_WAIT状态，你无法避免，那是TCP协议的一部分。

Q: 如何避免等待60秒之后才能重启服务

A: Erik Max Francis

使用setsockopt，比如

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int option = 1;

if ( setsockopt ( masterSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &option,
sizeof( option ) ) < 0 )
{
die( "setsockopt" );
}
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Q: 编写 TCP/SOCK_STREAM 服务程序时，SO_REUSEADDR到底什么意思？

A: 这个套接字选项通知内核，如果端口忙，但TCP状态位于 TIME_WAIT ，可以重用端口。如果端口忙，而TCP状态位于其他状态，重用端口时依旧得到一个错误信息，指明"地址已经使用中"。如果你的服务程序停止后想立即重启，而新套接字依旧使用同一端口，此时 SO_REUSEADDR 选项非常有用。必须意识到，此时任何非期望数据到达，都可能导致服务程序反应混乱，不过这只是一种可能，事实上很不可能。

一个套接字由相关五元组构成，协议、本地地址、本地端口、远程地址、远程端
口。SO_REUSEADDR 仅仅表示可以重用本地本地地址、本地端口，整个相关五元组还是唯一确定的。所以，重启后的服务程序有可能收到非期望数据。必须慎重使用 SO_REUSEADDR 选项。

Q: 在客户机/服务器编程中(TCP/SOCK_STREAM)，如何理解TCP自动机 TIME_WAIT 状态？

A: W. Richard Stevens <1999年逝世，享年49岁>

下面我来解释一下 TIME_WAIT 状态，这些在<> 中2.6节解释很清楚了。

MSL(最大分段生存期)指明TCP报文在Internet上最长生存时间，每个具体的TCP实现都必须选择一个确定的MSL值。RFC 1122建议是2分钟，但BSD传统实现采用了30秒。TIME_WAIT 状态最大保持时间是2 * MSL，也就是1-4分钟。 IP头部有一个TTL，最大值255。尽管TTL的单位不是秒(根本和时间无关)，我们仍需假设，TTL为255的TCP报文在Internet上生存时间不能超过MSL。

TCP报文在传送过程中可能因为路由故障被迫缓冲延迟、选择非最优路径等等，结果发送方TCP机制开始超时重传。前一个TCP报文可以称为"漫游TCP重复报文"，后一个TCP报文可以称为"超时重传TCP重复报文"，作为面向连接的可靠协议，TCP实现必须正确处理这种重复报文，因为二者可能最终都到达。

一个通常的TCP连接终止可以用图描述如下：

client server
FIN M
close -----------------> (被动关闭)
ACK M+1
<-----------------
FIN N
<----------------- close
ACK N+1
----------------->

为什么需要 TIME_WAIT 状态？

假设最终的ACK丢失，server将重发FIN，client必须维护TCP状态信息以便可以重发最终的ACK，否则会发送RST，结果server认为发生错误。TCP实现必须可靠地终止连接的两个方向(全双工关闭)，client必须进TIME_WAIT 状态，因为client可能面临重发最终ACK的情形。

{
scz 2001-08-31 13:28
先调用close()的一方会进入TIME_WAIT状态
}

此外，考虑一种情况，TCP实现可能面临先后两个同样的相关五元组。如果前一个连接处在 TIME_WAIT 状态，而允许另一个拥有相同相关五元组的连接出现，可能处理TCP报文时，两个连接互相干扰。使用 SO_REUSEADDR 选项就需要考虑这种情况。

为什么 TIME_WAIT 状态需要保持 2MSL 这么长的时间？

如果 TIME_WAIT 状态保持时间不足够长(比如小于2MSL)，第一个连接就正常终止了。第二个拥有相同相关五元组的连接出现，而第一个连接的重复报文到达，干扰了第二个连接。TCP实现必须防止某个连接的重复报文在连接终止后出现，所以让TIME_WAIT状态保持时间足够长(2MSL)，连接相应方向上的TCP报文要么完全响应完毕，要么被丢弃。建立第二个连接的时候，不会混淆。

A: 小四

在Solaris 7下有内核参数对应 TIME_WAIT 状态保持时间

# ndd -get /dev/tcp tcp_time_wait_interval
240000
# ndd -set /dev/tcp tcp_time_wait_interval 1000

缺省设置是240000ms，也就是4分钟。如果用ndd修改这个值，最小只能设置到1000ms，
也就是1秒。显然内核做了限制，需要Kernel Hacking。

# echo "tcp_param_arr/W 0t0" | adb -kw /dev/ksyms /dev/mem
physmem 3b72
tcp_param_arr: 0x3e8 = 0x0
# ndd -set /dev/tcp tcp_time_wait_interval 0

我不知道这样做有什么灾难性后果，参看<>的声明。

Q: TIME_WAIT 状态保持时间为0会有什么灾难性后果？在普遍的现实应用中，好象也就是服务器不稳定点，不见得有什么灾难性后果吧？

D: rain@bbs.whnet.edu.cn

Linux 内核源码 /usr/src/linux/include/net/tcp.h 中

#define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ) /* how long to wait to successfully
* close the socket, about 60 seconds */

最好不要改为0，改成1。端口分配是从上一次分配的端口号+1开始分配的，所以一般不会有什么问题。端口分配算法在tcp_ipv4.c中tcp_v4_get_port中。

监听地址问题

[root@localhosti386]# netstat -nlp
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address       ForeignAddress          State    PID/Program name
tcp       0    0 0.0.0.0:3306            0.0.0.0:*               LISTEN    2804/mysqld
tcp       0    0222.230.14.16:80       0.0.0.0:*                LISTEN    4433/(squid)
tcp       0    0127.0.0.1:80             0.0.0.0:*               LISTEN    4350/httpd
tcp       0    0 127.0.0.1:2006            0.0.0.0:*               LISTEN    27724/php
tcp       0    00.0.0.0:25                 0.0.0.0:*                LISTEN    26234/master
tcp       0    00.0.0.0:443                0.0.0.0:*               LISTEN    27724/php
tcp       0    0:::22                       :::*                     LISTEN    2674/sshd
udp       0    00.0.0.0:16384            0.0.0.0:*                             4433/(squid)
udp       0    00.0.0.0:3130             0.0.0.0:*                              4433/(squid)

我说的本地地址的四种类型：
0 0.0.0.0
222.230.14.16
127.0.0.1
:::
都是本地地址为何要有这四种类型呢？都是代表什么含义和作用呢？

一般 0.0.0.0 表示 all or any address, 以 listen 0.0.0.0 來說, 表示 listen 主机所有 interface 的 ip 位址.

至於你說的 222.230.14.16 or 127.0.0.1 那都只是表示 listen 特定 ip 位址而已..

::: 那表示 listen 主机所有interface 的 ipv6 位址.

网络字节序问题

低地址。。。。。。。。高地址
04 03 02 01 －－－－－－》方法1
01 02 03 04 －－－－－－》方法2

上面是整数0x01020304的两种表示方法，其中方法1和方法2的区别就是高位放到高地址还是低地址。

方法1 叫做小端格式，方法2叫做大端格式，网络上使用的大端格式，而主机格式随着不同的机器不同，为了使得不同的主机格式能够无歧义的和网络格式相互赋值，一般牵涉到网络的开发库会定义一套两种格式之间的转换函数，这样直接使用转换函数就可以完成两者之间的转换。

例如在windows中有htons，ntohs，htonl，ntohl等一套函数，分别用来完成2个字节和4个字节的转换。