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TCP连接状态详解及TIME_WAIT过多的解决方法

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tcp_state

上图对排除和定位网络或系统故障时大有帮助,但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢?那么你就一定要对这张图的每一个状态,及转换的过程有深刻地认识,不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解释一下,以便加强记忆!不过在这之前,先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程,以及关闭连接的四次握手过程。

1、建立连接协议(三次握手)
(1)客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。

(2) 服务器端回应客户端的,这是三次握手中的第2个报文,这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应;同时又标志SYN给客户端,询问客户端是否准备好进行数据通讯。

(3) 客户必须再次回应服务段一个ACK报文,这是报文段3。

2、连接终止协议(四次握手)
由于TCP连接是全双工的,因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动,一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方执行被动关闭。

(1) TCP客户端发送一个FIN,用来关闭客户到服务器的数据传送(报文段4)。
(2) 服务器收到这个FIN,它发回一个ACK,确认序号为收到的序号加1(报文段5)。和SYN一样,一个FIN将占用一个序号。
(3) 服务器关闭客户端的连接,发送一个FIN给客户端(报文段6)。
(4) 客户段发回ACK报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1(报文段7)。

CLOSED: 这个没什么好说的了,表示初始状态。

LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态,表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态,可以接受连接了。

SYN_RCVD: 这个状态表示接受到了SYN报文,在正常情况下,这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态,很短暂,基本上用netstat你是很难看到这种状态的,除非你特意写了一个客户端测试程序,故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时,当收到客户端的ACK报文后,它会进入到ESTABLISHED状态。

SYN_SENT: 这个状态与SYN_RCVD遥想呼应,当客户端SOCKET执行CONNECT连接时,它首先发送SYN报文,因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态,并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

ESTABLISHED:这个容易理解了,表示连接已经建立了。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下,其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是:FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时,它想主动关闭连接,向对方发送了FIN报文,此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后,则进入到FIN_WAIT_2状态,当然在实际的正常情况下,无论对方何种情况下,都应该马上回应ACK报文,所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的,而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。

FIN_WAIT_2:上面已经详细解释了这种状态,实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET,表示半连接,也即有一方要求close连接,但另外还告诉对方,我暂时还有点数据需要传送给你,稍后再关闭连接。

TIME_WAIT: 表示收到了对方的FIN报文,并发送出了ACK报文,就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下,收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时,可以直接进入到TIME_WAIT状态,而无须经过FIN_WAIT_2状态。

注: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.

CLOSING: 这种状态比较特殊,实际情况中应该是很少见,属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下,当你发送FIN报文后,按理来说是应该先收到(或同时收到)对方的ACK报文,再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后,并没有收到对方的ACK报文,反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢?其实细想一下,也不难得出结论:那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话,那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况,也即会出现CLOSING状态,表示双方都正在关闭SOCKET连接。

CLOSE_WAIT: 这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢?当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己,你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方,此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢,实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方,如果没有的话,那么你也就可以close这个SOCKET,发送FIN报文给对方,也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下,需要完成的事情是等待你去关闭连接。

LAST_ACK: 这个状态还是比较容易好理解的,它是被动关闭一方在发送FIN报文后,最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后,也即可以进入到CLOSED可用状态了。

最后有2个问题的回答,我自己分析后的结论(不一定保证100%正确)

1、 为什么建立连接协议是三次握手,而关闭连接却是四次握手呢?

这是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后,它可以把ACK和SYN(ACK起应答作用,而SYN起同步作用)放在一个报文里来发送。但关闭连接时,当收到对方的FIN报文通知时,它仅仅表示对方没有数据发送给你了;但未必你所有的数据都全部发送给对方了,所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后,再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了,所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

2、 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?

这是因为:虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文,并保证于此。

查看当前系统下所有连接状态的数:

[[email protected] ~]#netstat -n|awk '/^tcp/{++S[$NF]}END{for (key in S) print key,S[key]}'
TIME_WAIT 286
FIN_WAIT1 5
FIN_WAIT2 6
ESTABLISHED 269
SYN_RECV 5
CLOSING 1

如发现系统存在大量TIME_WAIT状态的连接,通过调整内核参数解决:
编辑文件/etc/sysctl.conf,加入以下内容:

net.ipv4.tcp_syncookies = 1
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效。

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时,启用cookies来处理,可防范少量SYN攻击,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收,默认为0,表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout 修改系默认的 TIMEOUT 时间

其它参数说明:
net.ipv4.tcp_syncookies = 1 表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时,启用cookies来处理,可防范少量SYN攻击,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接,默认为0,表示关闭;
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收,默认为0,表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 表示如果套接字由本端要求关闭,这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200 表示当keepalive起用的时候,TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时,改为20分钟。
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000 表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小:32768到61000,改为1024到65000。
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192 表示SYN队列的长度,默认为1024,加大队列长度为8192,可以容纳更多等待连接的网络连接数。
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000 表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量,如果超过这个数字,TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息。
默 认为180000,改为5000。对于Apache、Nginx等服务器,上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量,但是对于Squid,效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT套接字的最大数量,避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT套接字拖死。

注:
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1

设置这两个参数: reuse是表示是否允许重新应用处于TIME-WAIT状态的socket用于新的TCP连接; recyse是加速TIME-WAIT sockets回收

来源及参考:
http://bbs.linuxtone.org/thread-853-1-1.html
http://hi.baidu.com/tim_bi/blog/item/35b005d784ca91d5a044df1d.html
http://apps.hi.baidu.com/share/detail/34009128

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04-25
2012

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