深入理解 TCP 四次挥手及相关网络问题

引言

在计算机网络中，TCP（传输控制协议） 是最为广泛应用的协议之一，尤其在提供可靠的数据传输时。我们熟知 TCP 三次握手的过程，它用于建立连接，但在连接关闭时，TCP 需要进行 四次挥手（Four-Way Handshake）来断开连接，确保双方都能正确关闭连接，释放资源。

在这篇博客中，我们将详细探讨 TCP 四次挥手 过程中的细节，分析常见问题及排查方法，帮助你深入理解这一机制。

一、TCP 的四次挥手过程

TCP 四次挥手的基本过程

四次挥手 是 TCP 协议用于断开连接的标准过程，确保双方都能释放资源并确保可靠的连接关闭。

过程如下：

第一次挥手：

客户端 发送 FIN 包，表示客户端没有数据要发送了，要求关闭连接。
客户端进入 FIN_WAIT_1 状态。

第二次挥手：

服务器 收到 FIN 包后，向客户端发送 ACK 包，确认客户端关闭连接的请求。
服务器进入 CLOSE_WAIT 状态。

第三次挥手：

服务器 发送 FIN 包，告诉客户端，服务器也没有数据发送了，准备关闭连接。
服务器进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手：

客户端 收到服务器的 FIN 包后，发送 ACK 包确认。
客户端进入 TIME_WAIT 状态，等待足够的时间确保服务器收到确认包。
客户端进入 CLOSED 状态，连接正式关闭。

二、常见问题与分析

1 第二次和第三次挥手能否合并？

第二次和第三次挥手是可以合并的，因为它们分别是：

第二次挥手：服务器向客户端确认已收到 FIN 包，并告知其准备关闭连接。
第三次挥手：服务器主动向客户端发送自己的 FIN 包，通知客户端服务器也准备关闭连接。

每个阶段都需要对方确认，以确保连接断开时的可靠性和正确性。因此，通畅不可以将这两步合并。

但是如果被动关闭方没有数据要发送 并且开启了TCP延迟确认机制就可以合并

2 如果第三次挥手一直没发，会发生什么？

如果 第三次挥手 的 FIN 包 没有被发送（即服务器没有关闭连接），客户端就无法进入 TIME_WAIT 状态，也就无法完全关闭连接。

此时，客户端会一直处于 FIN_WAIT_1 或 FIN_WAIT_2 状态，且连接无法完全释放，可能导致连接资源泄露，服务器端的端口资源也会被占用，影响其他请求的接入。

解决方案：

在 TCP 连接断开时，服务器应确保发送了第三次挥手的 FIN 包。

3 第二次和第三次挥手之间，主动断开的那端能做什么？

当客户端发送了 FIN 包（第一次挥手）后，进入 FIN_WAIT_1 状态，等待服务器的确认包。在 第二次挥手 到 第三次挥手 期间，客户端可以做以下操作：

继续向应用层发送数据：虽然连接正在关闭，但应用层仍可以继续发送数据。
等待 ACK 包和 FIN 包的到来，以完成连接的彻底关闭。

在这个过程中，客户端还可以进行 资源清理，例如释放缓冲区、关闭文件句柄等。

4 如果客户端发送的 FIN 包丢失，服务端的状态是什么？

如果客户端发送的 FIN 包 丢失，服务端无法收到连接断开请求。此时，客户端会超时重发 FIN 包 。服务器端的状态在这期间保持 ESTABLISHED ，直到接收到客户端的 FIN 包 ，才会进入 CLOSE_WAIT 状态，进行正常的断开过程。

通常来说，TCP 会通过 重传机制 自动解决丢包问题，确保最终连接能够顺利断开。

5 为什么第四次挥手要等 2MSL（最大报文生命周期）？

TIME_WAIT 状态要求等待 2MSL，即两个最大报文生命周期（Maximum Segment Lifetime）的时间，是为了确保：

确认包被对方收到 ：客户端发送的 ACK 包 必须确保服务器收到。如果第四次挥手的 ACK 包 丢失，客户端可以重新发送。
防止老旧的数据包 ：如果网络中存在老的数据包，它们可能会延迟到达。在 2MSL 的时间内，客户端能够确保所有的旧数据包被丢弃，避免重传时引起混乱。

6 服务端出现大量 TIME_WAIT 的原因

服务端出现大量 TIME_WAIT 状态，可能是以下原因：

频繁的连接创建与销毁 ：如果服务端频繁地建立和断开连接，例如短连接的高频访问，可能导致大量的 TIME_WAIT 状态。
没有正确关闭连接 ：如果某些连接没有在关闭时正常执行 四次挥手 ，也可能导致大量的 TIME_WAIT。
网络延迟 ：在高延迟网络环境中，FIN 包可能会延迟，导致 TIME_WAIT 状态的积压。

解决方案：

使用 长连接（如 HTTP Keep-Alive）减少频繁连接的开销。
在高并发的服务中，调整内核的 TIME_WAIT 过期时间。
适当配置 TCP 回收策略。

总结

TCP 协议的四次挥手过程确保了可靠的连接关闭，但其过程中的每一步都有可能受到不同因素的影响，从而导致连接无法正确断开。理解每个过程的详细步骤及常见问题，对于开发和运维人员来说是非常重要的。

总结要点：

四次挥手过程保证了可靠的连接释放，且每一阶段都非常重要。
TIME_WAIT状态用于确保可靠性，但在高并发场景中可能带来资源浪费。
合理的连接管理和排查策略能够帮助我们减少连接问题。