Linux socket编程(5):三次握手和四次挥手分析和SIGPIPE信号的处理

在我之前写的Wireshark抓包：理解TCP三次握手和四次挥手过程中，通过抓包分析了TCP传输的三次握手和四次挥手的过程。在这一节中，将分析在Linux中的三次握手和四次挥手的状态和过程，另外还有一个在我们编程过程中值得注意的SIGPIPE信号的处理。

文章目录

[1 TCP连接的11种状态](#1 TCP连接的11种状态)
[2 实验：查看TCP状态变化](#2 实验：查看TCP状态变化)
[3 read/recv返回0的作用](#3 read/recv返回0的作用)
[4 SIGPIPE信号](#4 SIGPIPE信号)

1 TCP连接的11种状态

在TCP建立连接的过程中将经历一系列状态，包括：LISTEN(监听)、SYN-SENT(同步已发送)、SYN-RECEIVED(同步已接收)、ESTABLISHED(已建立)、FIN-WAIT-1(等待第一个关闭)、FIN-WAIT-2(等待第二个关闭)、CLOSE-WAIT(等待关闭)、CLOSING(关闭中)、LAST-ACK(最后的确认)、TIME-WAIT(等待时间)、以及虚构的状态CLOSED(关闭)。

CLOSED是虚构的，因为它表示当没有传输控制块(TCB)时的状态(没有连接时的状态)

在TCP标准中：

三次握手：首先发送SYN标志的客户端被称为主动打开者，而另一侧的服务器称为被动打开者
四次挥手：首先发送FIN标志的客户端或服务器被称为主动关闭者，而另一端则被称为被动关闭者

如下图所示：客户端通过发送SYN标志成为SYN_SENT状态的过程(主动打开)，同时服务器成为LISTEN状态的过程(被动打开)。

现在来看一下我们熟悉的三次握手和四次挥手的握手流程：

LISTEN(监听)
- 表示服务器在接收到来自客户端的SYN标志后可以创建新连接的状态。
- 在Linux中，通过bind()和listen()系统调用，服务器进入LISTEN状态。
SYN_SENT(SYN已发送)
- 表示关闭状态的客户端发送SYN标志并转换的状态。
- 在Linux中，客户端可以通过connect()系统调用进入SYN_SENT状态。
- 根据/proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries值以最大RTO(重传超时)间隔发送SYN标志。
SYN_RECEIVED(SYN已接收)
- 表示处于LISTEN状态的服务器在接收到客户端的SYN标志后，响应SYN+ACK标志并转换的状态。
- 在Linux中，通过accept()系统调用，服务器进入SYN_RECEIVED状态。
- 根据/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries值以最大RTO(重传超时)间隔发送SYN标志。
ESTABLISHED(已建立)
- 表示在3次握手后建立连接的状态，服务器和客户端可以交换数据。
- 在Linux中，通过send()和recv()系统调用可以进行数据交换。
- 可以通过在套接字中设置SO_KEEPALIVE选项来定期检查TCP连接的有效性。
FIN_WAIT_1(等待第一次关闭)
- 表示在已建立的状态中，主动关闭者结束后转换的状态。主动关闭者在调用close()或其进程终止后，由于套接字关闭，主动关闭者发送FIN标志并进入FIN_WAIT_1状态。
FIN_WAIT_2(等待第二次关闭)
- 表示FIN_WAIT_1状态的主动关闭者接收到被动关闭者的ACK，或者直到由Linux内核设置的FIN_WAIT_2的超时时间过去为止。
TIME_WAIT(等待时间)
- 表示FIN_WAIT_2状态的主动关闭者接收到被动关闭者的FIN标志后的状态。TIME_WAIT状态应持续2MSL(2 * 最大分段寿命)，即直到网络上的所有相关数据包(分段)完全被清除为止，以确保对后续新连接的影响最小化。
CLOSING(关闭中)
- 表示发生同时关闭，FIN_WAIT_1状态的主动关闭者接收到FIN标志时的状态。
CLOSE_WAIT(等待关闭)
- 表示被动关闭者从主动关闭者接收到FIN标志并转换的状态。在Linux环境中，CLOSE_WAIT状态没有超时，只有在被动关闭者的套接字关闭时才会结束。
LAST_ACK(最后确认)
- 表示CLOSE_WAIT状态的被动关闭者发送FIN标志给主动关闭者后，在收到相应的ACK之前保持的状态。

理论介绍完了，还是得实际写代码看看Linux中这些状态的切换，来看看实际执行过程中会遇到什么问题。

2 实验：查看TCP状态变化

这里实验使用这篇利用fork实现服务端与多个客户端建立连接最后贴出来的代码

1、运行服务端程序

可以看到此时服务端处于LISTEN状态。

2、运行客户端程序

现在客户端和服务端都处于ESTABLISHED建立连接状态。

SYN_SENT和SYN_RCVD状态切换地过快，这里没体现出来

3、关闭客户端程序

可以看到客户端进入了TIME_WAIT状态。在等待2MSL时间后，客户端的网络状态将关闭(CLOSED)。

3 read/recv返回0的作用

注意：在一端关闭后，另一端需要关闭自己的程序，否则主动关闭的那一端将无法进入TIME_WAIT状态，而是保持在FIN_WAIT2状态。

那如何判断对端关闭了呢？ 当一端关闭后，另一端的read或recv函数将无限非阻塞返回0。

现在修改一下服务端的读取代码：

这里把break注释掉，也就是在客户端关闭时，服务端不退出fork出来的子进程。现在重复一下前面的实验过程：运行服务端和客户端，然后客户端断开连接。如下图所示，客户端果然处于FIN_WAIT2状态。

所以无论是客户端还是服务端都需要实时的read或recv来判断对端是否断开，进行资源的回收处理，否则对端的状态将无法处于TIME_WAIT。

4 SIGPIPE信号

我们知道，当一方关闭连接时，它会发送一个FIN标志给对方。这是TCP的一种半关闭状态，表示发送方(主动关闭的一方)不再发送数据，但仍然可以接收数据。所以当服务端收到客户端发送的FIN后，它可以继续向客户端发送数据，但这些数据会被送入TCP的发送缓冲区，并不会立即发送。

如果客户端收到服务端的FIN并关闭了连接，而服务端仍然试图向客户端发送数据，这时如果客户端已经关闭了接收端，写入操作就会导致Linux内核发送一个SIGPIPE信号被发送给服务端进程。

SIGPIPE：用于通知进程它试图向一个已经关闭的管道(或socket)写数据。

默认情况下，如果进程忽略或者不捕获SIGPIPE信号，进程会被终止。因此，为了避免进程因为SIGPIPE信号而终止，可以在程序中捕获SIGPIPE信号，或者在写入之前使用一些手段来检查连接状态。

现在再来修改一下服务端程序：

这里我们也把break注释掉，这样理论上这个recv函数会无限非阻塞地返回0，也就是服务端用于处理客户端的子进程会一直输出peer closed，同时客户端还会处于FIN_WAIT2状态。就是前面read/recv返回0的作用中的实验结果。

但现在，在服务端的recv返回0时，表示服务端已经收到了FIN信号，此时服务端使用send往客户端发送一个消息。现在会产生一个SIGPIPE信号，将服务端用于处理客户端的子进程杀掉。如下图所示，可以看到进程确实被杀掉了。

为了验证一下确实产生了SIGPIPE信号，我们自己来注册这个信号。程序做出如下修改：

结果如下：

不注册的话，内核默认会将程序杀掉，注册了这个信号的话，内核就不会杀掉进程，就由我们自己处理了。在这里由于服务端的socket_read中没有break掉，内核也没有杀掉这个子进程，所以这里recv将无限非阻塞返回0，加上在这个分支中一直调用send发送数据，所以服务端在这里无限输出peer closed，并无限收到SIGPIPE信号。

所以为了防止服务端程序在客户端被关闭后，由于程序之间没有及时的同步，导致服务端继续往客户端写数据，最后异常地被SIGPIPE信号关闭，我们可以忽略掉SIGPIPE信号以防止服务端被误关闭。

signal(SIGPIPE, SIG_IGN);