TCP 关闭过程 TIME_WAIT AND CLOSE_WAIT

为了方便描述，我给这个TCP连接的一端起名为Client，给另外一端起名为Server。上图描述的是Client主动关闭的过程，FTP协议中就这样的。如果要描述Server主动关闭的过程，只要交换描述过程中的Server和Client就可以了，HTTP协议就是这样的。

描述过程：
Client调用close()函数，给Server发送FIN，请求关闭连接；Server收到FIN之后给Client返回确认ACK，同时关闭读通道（不清楚就去看一下shutdown和close的差别），也就是说现在不能再从这个连接上读取东西，现在read返回0。此时Server的TCP状态转化为CLOSE_WAIT状态。
Client收到对自己的FIN确认后，关闭 写通道，不再向连接中写入任何数据。
接下来Server调用close()来关闭连接，给Client发送FIN，Client收到后给Server回复ACK确认，同时Client关闭读通道，进入TIME_WAIT状态。
Server接收到Client对自己的FIN的确认ACK，关闭写通道，TCP连接转化为CLOSED，也就是关闭连接。
Client在TIME_WAIT状态下要等待最大数据段生存期的两倍，然后才进入CLOSED状态，TCP协议关闭连接过程彻底结束。

以上就是TCP协议关闭连接的过程，现在说一下TIME_WAIT状态。
从上面可以看到，主动发起关闭连接的操作的一方将达到TIME_WAIT状态，而且这个状态要保持Maximum Segment Lifetime的两倍时间。为什么要这样做而不是直接进入CLOSED状态？

原因有二：
一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭
二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

先说第一点，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。

再说第二点，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

各种协议都是前人千锤百炼后得到的标准，规范。从细节中都能感受到精巧和严谨。每次深入都有同一个感觉，精妙。




2MSL TIME_WAIT状态存在的理由：
TIME_WAIT状态的存在有两个理由：（1）让4次握手关闭流程更加可靠；4次握手的最后一个ACK是是由主动关闭方发送出去的，若这个ACK丢失，被动关闭方会再次发一个FIN过来。若主动关闭方能够保持一个2MSL的TIME_WAIT状态，则有更大的机会让丢失的ACK被再次发送出去。（2）防止lost duplicate对后续新建正常链接的传输造成破坏。lost duplicate在实际的网络中非常常见，经常是由于路由器产生故障，路径无法收敛，导致一个packet在路由器A，B，C之间做类似死循环的跳转。IP头部有个TTL，限制了一个包在网络中的最大跳数，因此这个包有两种命运，要么最后TTL变为0，在网络中消失；要么TTL在变为0之前路由器路径收敛，它凭借剩余的TTL跳数终于到达目的地。但非常可惜的是TCP通过超时重传机制在早些时候发送了一个跟它一模一样的包，并先于它达到了目的地，因此它的命运也就注定被TCP协议栈抛弃。另外一个概念叫做incarnation connection，指跟上次的socket pair一摸一样的新连接，叫做incarnation of previous connection。lost duplicate加上incarnation connection，则会对我们的传输造成致命的错误。大家都知道TCP是流式的，所有包到达的顺序是不一致的，依靠序列号由TCP协议栈做顺序的拼接；假设一个incarnation connection这时收到的seq=1000, 来了一个lost duplicate为seq=1000, len=1000, 则tcp认为这个lost duplicate合法，并存放入了receive buffer，导致传输出现错误。通过一个2MSL TIME_WAIT状态，确保所有的lost duplicate都会消失掉，避免对新连接造成错误。

该状态为什么设计在主动关闭这一方：
（1）发最后ack的是主动关闭一方
（2）只要有一方保持TIME_WAIT状态，就能起到避免incarnation connection在2MSL内的重新建立，不需要两方都有

如何正确对待2MSL TIME_WAIT
RFC要求socket pair在处于TIME_WAIT时，不能再起一个incarnation connection。但绝大部分TCP实现，强加了更为严格的限制。在2MSL等待期间，socket中使用的本地端口在默认情况下不能再被使用。若A 10.234.5.5:1234和B 10.55.55.60:6666建立了连接，A主动关闭，那么在A端只要port为1234，无论对方的port和ip是什么，都不允许再起服务。显而易见这是比RFC更为严格的限制，RFC仅仅是要求socket pair不一致，而实现当中只要这个port处于TIME_WAIT，就不允许起连接。这个限制对主动打开方来说是无所谓的，因为一般用的是临时端口；但对于被动打开方，一般是server，就悲剧了，因为server一般是熟知端口。比如http，一般端口是80，不可能允许这个服务在2MSL内不能起来。解决方案是给服务器的socket设置SO_REUSEADDR选项，这样的话就算熟知端口处于TIME_WAIT状态，在这个端口上依旧可以将服务启动。当然，虽然有了SO_REUSEADDR选项，但sockt pair这个限制依旧存在。比如上面的例子，A通过SO_REUSEADDR选项依旧在1234端口上起了监听，但这时我们若是从B通过6666端口去连它，TCP协议会告诉我们连接失败，原因为Address already in use.