ch18: TCP Connection Establishment and Termination
TCP
1. TCP Connection Establishment and Termination
通过一个简单的例子，来看看TCP连接的建立和终止过程中发生了什么。
通过Telnet来发起一个请求，建立连接后就退出。
1.1 tcpdump Output
下面是tcpdump抓包的结果：
每行就是一个单独的TCP segment。
每行开头的格式是：
source > destination: flags
所以第一行的例子是说，svr4的1037上发起一个请求，目的是bsdi的discard进程，flag是S，代表了SYN。
1.1.1 Flags
在tcpdump中，flag的含义如下：
Flag | Abbr |
S | SYN |
F | FIN |
R | RST |
P | PSH |
. | none of above flour flags is on |
不过在TCP header中，一共有六个标志位，除了上面的四个还有ACK和URG，这两个标志位在tcpdump中会以特殊的形式打印出来。
在上面的例子中所有的segment中的flag只有一个，其实还可能会有多个一起的情况。
1.1.2 Sequence Number
第一行中的1415531521:1415531521 (0)，表示这个segment的序号是1415531521，冒号后面的数字就是这个segment数据的最后一个字节的序号，括号里的数字表示这个segment包中的数据大小，这里是0，就是说这个segment没有数据。
1.1.3 Acknowledgedment Number
第三行中的ack 1415531522是一个确认号，说明bsdi收到了svr4的第一个segment。
只有ACK打开的时候才会打印这个字段。
1.1.4 Window Size
每一行都有一个win 4096，这个是发送方通知接收方的窗口大小，由于没有额外的数据发送，所以这些窗口大小没有变化。
1.1.5 MSS
第一行和第二行还有，这个是发送方发送给接收方的mss值。
这就是说发送方不希望另一方给它一次发送超过1024个字节的数据。
这个值是为了防止数据分片的。
1.2 Timeline
将上面的结果通过一个时间线的形式来展示出来，能更好地看到两只之间的往来：
1.3 Connection Establishment Protocol
1.3.1 Three-way Handshake
为了建立连接，需要三次握手：
发送方（叫做client）发起连接请求，一个SYN segment，附带对方的IP和端口，还有一个client选取的初始序号（ISN）；
接收方（叫做server）接收到client的SYN之后，发送一个SYN，对client的ISN进行ack，然后选择一个自己的ISN，每个SYN都要消耗一个序号；
client对server的SYN进行ack，确认号是server的序号加1。
这样连接就建立了。
第一个发送SYN的叫做主动打开（active open），另一个SYN就叫被动打开（passive open）。
也有可能两方都发起一个主动打开。
1.3.2 ISN
ISN每次应该不同，如何选择不同系统有不同的实现。
为什么应该不同呢？
这是为了防止网络中被延迟的segment在以后又被传送，导致连接的一方对它作出错误的解释。
怎么选择ISN呢？
在BSD的实现中，系统启动的时候ISN是1，然后然后每隔0.5秒增加64000，大概每隔9.5小时就会循环一次。
同时，每次连接建立的时候，也会加64000。
这样的方式有一个现象就是，所有的ISN都是一个奇数。
1.4 Connection Termination Protocol
建立连接需要三次握手，而断开连接需要四次。
这是因为TCP是双全工（full-duplex）的，每个方向上都可以传送数据，每个方向都可以单独关闭，叫做half-close。
收到一个FIN意味着对方不会发送数据了，但是仍然可以接收数据。
先发送FIN的叫做主动关闭（active close），先接收到FIN的叫做被动关闭（passive close），不过也有两者同时发起一个主动关闭的情况。
在时间线这个图中：
client先发送一个FIN（segment 4），一个FIN也消耗一个序号。这时client不会向server发送数据了，但还可以接收server的数据；
server收到这个FIN之后发送一个ack，这时server知道不回接收到client的数据了（除了ack）；
如果server仍有数据发送的话，继续发送，然后client收到后继续ack；
当server发送完数据之后，关闭连接，发送一个FIN给client；
最后client对server的FIN进行ack。
连接关闭，流程如下：
大多数情况下都是client主动关闭一个连接，不过server也可以主动关闭连接。
1.4.1 Normal tcpdump Output
为了简洁，可以只在建立连接的时候打印序号与确认号，后序可以使用相对值。比如：
2. Timeout of Connection Establishment
可能可有几种情况导致连接建立不成功。
2.1 The Server is Down
如果服务器down掉了，那么client发送的SYN不会收到ack。
比如：
client进行了两次重试。
第一次间隔5.8秒，第二次间隔24秒。
2.2 First Timeout Period
为啥第一个重试间隔不是6秒呢？
这是因为BSD版的TCP实现使用了一种500ms的定时器，当发起一个建立连接请求时，TCP就会建立一个6秒的定时器。
但是第一个tick不一定刚好对齐，导致第一个tick的时间可能在0到500ms之间：
但是其余的11个tick都是500ms，最后一个到了之后，就对齐了，所以第二次重试就是24秒了。
2.3 TOS: Type of Service
上面的输出还有[tos 0x10]，这个是IP datagram中的TOS，type of service，这个0x10的含义就是最小时延。
3. Maximum Segment Size
最大报文长度（MSS）是TCP传往另一端的最大块数据的长度。
建立连接的时候，每一端都可以向对方通知自己的MSS。
MSS不是协商的结果，而是一个可选项，MSS这个可选项只能在SYN中出现。
如果没有收到对方的MSS的话，那么就默认是536。
MSS越大，那么IP header和TCP header的比例就越低，传输效率就越高。
对于发送SYN的机器来说，MSS的值可以是出口接口的MTU减去IP和TCP header的大小。
BSD实现要求MSS是512的整数倍。
不过，只有当两个机器是直接相连的，才能根据两个MSS值选择一个较小的值。
当两个机器需要通过路由器来连接的时候，就不能根据两个MSS的值来选择较小的了，因为这个时候还要考虑Path MTU。
4. TCP Half-Close
TCP连接在一端结束发送数据后还可以接收数据，这就是半关闭。
这需要连接的双方都向对方发送一个FIN。
下图是一个场景的半关闭场景：
客户端发起主动关闭，服务器对这个FIN进行ack。
此时服务器还有数据没有发送完，没有关系，客户端还可以接收数据。
服务器数据发送完了就发送一个FIN。
客户端进行ack，连接完全关闭。
如果没有半关闭，那么为了达到关闭发送连接而还能接收数据的话，需要使用两个连接。
5. TCP State Transition Diagram
5.1 Diagram
TCP连接的状态转移图：
一共有11个状态，四个建立连接（CLOSED、LISTEN、SYN_SENT和SYN_RCVD），一个连接建立ESTABLISHED），和六个关闭连接（FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING、TIME_WAIT、CLOSE_WAIT和LAST_ACK）；
ESTABLISHED状态是两个方向都可以发送数据的状态；
主动关闭一般是client来完成，有四个状态：FIN_WAIT_1、FIN_WAIT_2、CLOSING和TIME_WAIT；
被动关闭一般是server来完成，有两个状态：CLOSE_WAIT、LAST_ACK。
下面是带上状态的时间序列图：
5.2 2MSL Wait State
TIME_WAIT状态也叫2MSL状态，每个实现都应该确定自己的MSL：maximum segment lifetime（报文段最大生存时间）。
这个值是每个segment在被丢弃前在网络中的最大存活时间。
这个值也是有最大值的，因为TCP segment是包装在IP datagram中的，IP datagram有一个TTL（基于跳的而不是时间）。
一般的实现有30秒，1分钟和2分钟。
给定一个MSL，规则就是：当TCP发起一个主动关闭并发送了最后一个ACK之后，这个连接必须在TIME_WAIT状态停留2个MSL时间。
这是为了防止如果最后一个ACK丢失后可以再次发送一个ACK，不然另一端就会超时并重发最后的FIN。
另一个影响就是，处于2MSL状态时，这个TCP连接不可以复用。
由于一般服务器是被动关闭，所以不会经历这个2MSL状态，但整个socket都将处于2MSL状态。当关闭一个client之后，立即启动一个client，那么这个client不能使用和刚才一样的端口，这对客户端来说没什么问题。
但是对于使用一个固定端口的服务器来说就有问题了。关闭一个服务器程序再重启，可能会失败，因为这个端口还在被一个处于2MSL状态的连接占用。
大概要经过1到4分钟才能重新启动。
不过也可以复用这个socket，加上一个SO_REUSEADDR的标志即可。
5.3 Quiet Time Concept
由于处于2MSL状态的连接不可用，那么超过2MSL状态的那个连接就不会受到前一个连接中延迟的segment的影响了。
不过这需要处于2MSL状态的主机工作正常。
如果处于2MSL状态的主机出现故障，然后在MSL时间内重启，紧接着建立了一个和之前连接一样的连接，会怎么样呢？
这样的话，故障前的segment会被新的连接接收并使用，这会导致问题。
因此，TCP在重启动之后的MSL秒内不能建立任何连接，这就是平静时间（quiet time）。
不过大多数主机的重启时都比MSL时间长，所以不一定要遵守这个规定。
5.4 FIN_WAIT_2状态
在FIN_WAIT_2状态，我们已经发了一个FIN，并且另一端也进行了ack。如果我们发起的不是半关闭，那么我们就期待另一端的应用层意识到连接已关闭，然后发送一个FIN。
只有另一端完成这个关闭，才能从FIN_WAIT_2转移到TIME_WAIT状态。
这意味着我们这一端一直处于FIN_WAIT_2状态，另一端一直处于CLOSE_WAIT状态。
Berkeley实现通过加一个超时时间来避免这个问题。
6. Reset Segments
当一个segment发送到一个TCP产出错误的时候，就会发送一个RST。
6.1 Connection Request to Nonexistent Port
一个常见的例子就是向一个没有程序监听的端口发起一个连接请求。
在UDP中会返回一个端口不可达的ICMP报文，在TCP中，发送一个RST。
返回的RST中，序号的值是0。
6.2 Aborting a Connection
正常关闭一个连接叫做orderly release，还可以异常关闭，叫做abortive release。
异常关闭有两个优点：
可以立即释放所有待发送的数据，然后发送一个RST；
接收RST的一端可以知道另一端是异常关闭，而不是正常关闭。
为了能够异常关闭，API需要提供一个SO_LINGER标志。
6.3 Detecting Half-Open Connections
半打开（Half-open），就是一方已经关闭或异常终止连接但是另一方却不知道。
任何一端的主机异常都可能会导致这种情况发生，只要不在半打开的连接上传输数据，那么处于连接状态的一方就不知道另一方已经出现异常。
当检测到半打开的连接时，TCP会发送一个RST。
可以通过keepalive选项来检测半打开。
7. Simultaneous Open
也有可能连接的两端同时发起一个主动打开请求，这要求两端都使用一个对方知道的端口，比如A使用自己的8888端口连接B的7777端口，同时B使用自己的7777端口连接A的8888端口。这才是一个同时打开（simultaneous open）。
流程如图：
如果不能正确实现同时打开的话，可以会出现一个两个方向上无限地发送SYN和ACK的情况。
8. Simultaneous Close
同样，两个主机也可以同时发起连接关闭（active close）。
状态转移图：
9. TCP Options
TCP header中的可选项：
len包含选项中的所有数据。
NOP是为了header填充到4字节的整数倍。
10. TCP Server Design
TCP服务器设计问题，基本上是来一个连接就开启一个进程或线程进行处理。
这里关注的问题是：
当一个服务器进程接收一个来自客户端的请求时是如何处理端口的？
如果多个连接请求几乎同时到达会发生什么？
10.1 Restricting Foreign IP Address
10.2 Incoming Connection Request Queue
有时候连接请求到了之后但是不能马上响应，比如操作系统正在处理优先级更高的任务。
这个时候对于进来的请求该如何处理呢？
TCP有一个固定长度的队列（一般实现都是5），用来存被TCP接受的请求但是还没有被应用层接受的请求。TCP接受一个请求是将其放入队列，而应用层接受请求是从队列中取出；
这个队列的最大长度，也叫作积压值（backlog），一般是5；
当一个连接请求SYN到达后，TCP判断是否接受，如果接受的话就入队列，对其SYN进行ack并发送自己的SYN，这样连接就可以到达ESTABLISHED状态了，只不过这个时候连接还没有被应用层接受，但是client认为连接已经建立，可以发送数据了，这些数据会被放在TCP的缓冲区中；
如果没有空间了，TCP就不会对新的SYN进行响应，啥也不做，这样client端就会超时然后重发。
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