目錄

1、TCP狀態轉換

1.1 三次握手

1.2 四次揮手

1.3 狀態轉換

1.4 相關命令

2、半關閉

3、端口復用

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1、TCP狀態轉換

在 TCP 進行三次握手，或者四次揮手的過程中，通信的服務器和客戶端內部會發送狀態上的變化，發生的狀態變化在程序中是看不到的，這個狀態的變化也不需要程序猿去維護，但是在某些情況下進行程序的調試會去查看相關的狀態信息，下面是三次握手過程中的狀態轉換。

1.1 三次握手

在第一次握手之前，服務器必須先啟動，并且已經開始了監聽

--服務器端先調用了 listen() 函數，開始監聽

--服務器端啟動監聽前后的狀態變化：沒有狀態---> SYN_SENT

當服務器監聽啟動之后，由客戶端發起的三次握手過程中狀態轉換如下：

第一次握手:

• 客戶端：調用了 connect() 函數，狀態變化：沒有狀態 -> SYN_SENT
• 服務器：收到連接請求 SYN，狀態變化：LISTEN -> SYN_RCVD

第二次握手:

• 服務器：給客戶端回復 ACK，并且請求和客戶端建立連接，狀態無變化，依然是 SYN_RCVD
• 客戶端：接收數據，收到了 ACK，狀態變化：SYN_SENT -> ESTABLISHED

第三次握手:

• 客戶端：給服務器回復 ACK，同意建立連接，狀態沒有變化，還是 ESTABLISHED
• 服務器：收到了 ACK，狀態變化：SYN_RCVD -> ESTABLISHED

三次握手完成之后，客戶端和服務器都變成了同一種狀態，這種狀態叫：ESTABLISHED，表示雙向連接已經建立， 可以通信了。在數據傳輸過程中，正常的通信狀態就是 ESTABLISHED。

1.2 四次揮手

關于四次揮手對于客戶端和服務器哪一端先斷開連接沒有要求，根據實際情況處理即可。下面根據上圖中的實例描述一下四次揮手過程中 TCP 的狀態轉換（上圖中主動斷開連接的一方是客戶端）：

第一次揮手:

• 客戶端：調用 close() 函數，將 tcp 協議中的 FIN 設置為 1，請求和服務器斷開連接，狀態變化:ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1
• 服務器：收到斷開連接請求，狀態變化: ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT

第二次揮手:

• 服務器：回復 ACK，同意斷開連接的請求，狀態沒有變化，還是 CLOSE_WAIT
• 客戶端：收到 ACK，狀態變化：FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2

第三次揮手:

• 服務器端：調用 close () 函數，發送 FIN 給客戶端，請求斷開連接，狀態變化：CLOSE_WAIT -> LAST_ACK
• 客戶端：收到 FIN，狀態變化：FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT

第四次揮手:

• 客戶端：回復 ACK 給服務器，狀態是沒有變化的，狀態變化：TIME_WAIT -> 沒有狀態
• 服務器端：收到 ACK，雙向連接斷開，狀態變化：LAST_ACK -> 無狀態(沒有了)

1.3 狀態轉換

在下圖中同樣是描述 TCP 通信過程中的客戶端和服務器端的狀態轉換，看起來比較亂，其實只需要看兩條主線：紅色實線和綠色虛線。關于黑色的實線對應的是一些特殊情況下的狀態切換，在此不做任何分析。

因為三次握手是由客戶端發起的，據此分析紅色的實線表示的客戶端的狀態，綠色虛線表示的是服務器端的狀態。

• 客戶端：

第一次握手：發送 SYN，沒有狀態 -> SYN_SENT

第二次握手：收到回復的 ACK，SYN_SENT -> ESTABLISHED

主動斷開連接，第一次揮手發送 FIN，狀態 ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1

第二次揮手，收到 ACK，狀態 FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2

第三次揮手，收到 FIN，狀態 FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT

第四次揮手，回復 ACK，等待 2 倍報文時長之后，狀態 TIME_WAIT -> 沒有狀態

• 服務器端：

啟動監聽，沒有狀態 -> LISTEN

第一次握手，收到 SYN，狀態 LISTEN -> SYN_RCVD

第三次握手，收到 ACK，狀態 SYN_RCVD -> ESTABLISHED

收到斷開連接請求，第一次揮手狀態 ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT

第三次揮手，發送 FIN 請求和客戶端斷開連接，狀態 CLOSE_WAIT -> LAST_ACK

第四次揮手，收到 ACK，狀態 LAST_ACK -> 無狀態(沒有了)

在 TCP 通信的時候，當主動斷開連接的一方接收到被動斷開連接的一方發送的 FIN 和最終的 ACK 后（第三次揮手完成），連接的主動關閉方必須處于 TIME_WAIT 狀態并持續 2MSL（Maximum Segment Lifetime）時間，這樣就能夠讓 TCP 連接的主動關閉方在它發送的 ACK 丟失的情況下重新發送最終的 ACK。

一倍報文壽命 (MSL) 大概時長為 30s，因此兩倍報文壽命一般在 1 分鐘作用。

主動關閉方重新發送的最終ACK，是因為被動關閉方重傳了它的FIN。事實上，被動關閉方總是重傳FIN直到它收到一個最終的ACK。

1.4 相關命令

1? ?$ netstat 參數
2? ?$ netstat -apn?? ?| grep 關鍵字

• 參數:

-a (all) 顯示所有選項

-p 顯示建立相關鏈接的程序名

-n 拒絕顯示別名，能顯示數字的全部轉化成數字。

-l 僅列出有在 Listen (監聽) 的服務狀態

-t (tcp) 僅顯示 tcp 相關選項

-u (udp) 僅顯示 udp 相關選項

2、半關閉

TCP 連接只有一方發送了 FIN，另一方沒有發出 FIN 包，仍然可以在一個方向上正常發送數據，這種狀態可以稱之為半關閉或者半連接。當四次揮手完成兩次的時候，就相當于實現了半關閉，在程序中只需要在某一端直接調用 close () 函數即可。套接字通信默認是雙工的，也就是雙向通信，如果進行了半關閉就變成了單工，數據只能單向流動了。比如下面的這個例子：

• 服務器端:

調用了 close () 函數，因此不能發數據，只能接收數據

關閉了服務器端的寫操作，現在只能進行讀操作 –> 變成了讀端

• 客戶端:

沒有調用 close ()，客戶端和服務器的連接還保持著

客戶端可以給服務器發送數據，也可以接收服務器發送的數據 （但是，服務器已經喪失了發送數據的能力），因此客戶端也只能發送數據，接收不到數據 –> 變成了寫端

按照上述流程做了半關閉之后，從雙工變成了單工，數據單向流動的方向：客戶端 —–> 服務器端。

1? ?// 專門處理半關閉的函數 2? ?#include <sys/socket.h> 3? ?// 可以有選擇的關閉讀/寫, close()函數只能關閉寫操作 4? ?int shutdown(int sockfd, int how);

• 參數:

sockfd: 要操作的文件描述符

how:

SHUT_RD: 關閉文件描述符對應的讀操作

SHUT_WR: 關閉文件描述符對應的寫操作

SHUT_RDWR: 關閉文件描述符對應的讀寫操作

• 返回值：函數調用成功返回 0，失敗返回 - 1

3、端口復用

在網絡通信中，一個端口只能被一個進程使用，不能多個進程共用同一個端口。我們在進行套接字通信的時候，如果按順序執行如下操作：先啟動服務器程序，再啟動客戶端程序，然后關閉服務器進程，再退出客戶端進程，最后再啟動服務器進程，就會出如下的錯誤提示信息：bind error: Address already in use

# 第二次啟動服務器進程 $ ./server bind error: Address already in use$ netstat -apn|grep 9999 (Not all processes could be identified, non-owned process infowill not be shown, you would have to be root to see it all.) tcp 0 0 127.0.0.1:9999 127.0.0.1:50178 TIME_WAIT

通過 netstat 查看 TCP 狀態，發現上一個服務器進程其實還沒有真正退出。因為服務器進程是主動斷開連接的進程，最后狀態變成了 TIME_WAIT 狀態，這個進程會等待 2msl(大約1分鐘) 才會退出，如果該進程不退出，其綁定的端口就不會釋放，再次啟動新的進程還是使用這個未釋放的端口，端口被重復使用，就是提示 bind error: Address already in use 這個錯誤信息。

如果想要解決上述問題，就必須要設置端口復用，使用的函數原型如下：

// 這個函數是一個多功能函數, 可以設置套接字選項 int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

參數:

• sockfd：用于監聽的文件描述符
• level：設置端口復用需要使用 SOL_SOCKET 宏
• optname：要設置什么屬性（下邊的兩個宏都可以設置端口復用）

SO_REUSEADDR
? ? ? ?SO_REUSEPORT

• optval：設置是去除端口復用屬性還是設置端口復用屬性，實際應該使用 int 型變量

0：不設置
? ? ? ?1：設置

• optlen：optval 指針指向的內存大小 sizeof (int)

這個函數應該添加到服務器端代碼中，具體應該放到什么位置呢？答：在綁定之前設置端口復用

創建監聽的套接字

設置端口復用

綁定

設置監聽

等待并接受客戶端連接

通信

斷開連接

參考代碼

#include <stdio.h> #include <ctype.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/select.h>// server int main(int argc, const char* argv[]) {// 創建監聽的套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(lfd == -1){perror("socket error");exit(1);}// 綁定struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(9999);serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 本地多有的ＩＰ// 127.0.0.1// inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr);// 設置端口復用int opt = 1;setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));// 綁定端口int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));if(ret == -1){perror("bind error");exit(1);}// 監聽ret = listen(lfd, 64);if(ret == -1){perror("listen error");exit(1);}fd_set reads, tmp;FD_ZERO(&reads);FD_SET(lfd, &reads);int maxfd = lfd;while(1){tmp = reads;int ret = select(maxfd+1, &tmp, NULL, NULL, NULL);if(ret == -1){perror("select");exit(0);}if(FD_ISSET(lfd, &tmp)){int cfd = accept(lfd, NULL, NULL);FD_SET(cfd, &reads);maxfd = cfd > maxfd ? cfd : maxfd;}for(int i=lfd+1; i<=maxfd; ++i){if(FD_ISSET(i, &tmp)){char buf[1024];int len = read(i, buf, sizeof(buf));if(len > 0){printf("client say: %s\n", buf);write(i, buf, len);}else if(len == 0){printf("客戶端斷開了連接\n");FD_CLR(i, &reads);close(i);}else{perror("read");exit(0);}}}}return 0; }

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的TCP状态转换、半关闭、端口复用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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