TCP有限状态机

TCP 有限状态机

  很多人都知道TCP协议有名的三次握手和四次挥手，实际上它们是基于TCP协议的简约版抽象描述，而这两个动作的背后本质上是TCP的协议转换；
  TCP协议的操作流程可以使用一个包含11种状态的有限状态机（ Finite State Machine ）来表示，下图描述了TCP有限状态机的运作流程，箭头指向表示状态之间的转换，粗实线表示客户端主动与和服务端建立连接的流程，粗虚线表示对应的服务端的状态转换的流程，细实线表示一些不常见的状态转换。

TCP有限状态机涉及到的11种状态及其描述如下表

TCP状态表

TCP协议状态的转换

• 服务器端首先执行 LISTEN 原语进入被动打开状态（LISTEN），等待客户端连接；

• 当客户端的一个应用程序发出 CONNECT 命令后，本地的 TCP 实体为其创建一个连接记录并标记为SYN SENT状态，然后给服务器发送一个 SYN 报文段；

• 服务器收到一个 SYN 报文段，其 TCP 实体给客户端发送确认 ACK 报文段同时发送一个 SYN 信号，进入SYN RCVD状态；

• 客户端收到 SYN + ACK 报文段，其 TCP 实体给服务器端发送出三次握手的最后一个 ACK 报文段，并转换为ESTABLISHED状态；

• 服务器端收到确认的 ACK 报文段，完成了三次握手，于是也进入ESTABLISHED状态。在此状态下，双方可以自由传输数据。当一个应用程序完成数据传输任务后，它需要关闭 TCP 连接。假设仍由客户端发起主动关闭连接。

• 客户端执行 CLOSE 原语，本地的 TCP 实体发送一个 FIN 报文段并等待响应的确认（进入状态FIN WAIT 1）；

• 服务器收到一个 FIN 报文段，它确认客户端的请求发回一个 ACK 报文段，进入CLOSE WAIT状态；

• 客户端收到确认 ACK 报文段，就转移到FIN WAIT 2状态，此时连接在一个方向上就断开了；

• 服务器端应用得到通告后，也执行 CLOSE 原语关闭另一个方向的连接，其本地 TCP 实体向客户端发送一个 FIN 报文段，并进入LAST ACK状态，等待最后一个 ACK 确认报文段；

• 客户端收到 FIN 报文段并确认，进入TIMED WAIT状态，此时双方连接均已经断开，但 TCP 要等待一个 2 倍报文段最大生存时间 MSL （ Maximum Segment Lifetime ），确保该连接的所有分组全部消失，以防止出现确认丢失的情况。当定时器超时后， TCP 删除该连接记录，返回到初始状态（CLOSED）。

• 服务器收到最后一个确认 ACK 报文段，其 TCP 实体便释放该连接，并删除连接记录，返回到初始状态（CLOSED）。

同时主动建立连接

  当出现同时打开的情况时，状态转换与正常的流程不同。两端几乎在同时发送SYN，并进入SYN_SENT状态。当每一端收到SYN时，状态变为SYN_RCVD，同时它们都再发SYN并对收到的SYN进行确认。当双方都收到SYN及相应的ACK时，状态都变迁为ESTABLISHED。下图显示了这些状态转换的过程。

同时主动关闭TCP连接

  C/S端双方同时执行主动关闭是可能存在的，而TCP协议也允许这样连接的两端同时发起关闭请求。如下图，C/S两端同时发起关闭请求，即同时向对方发送了FIN报文段，根据有限状态机的描述，此时双方都由ESTABLISHED变为FIN_WAIT_1状态，紧接着各自收到对方的FIN后，状态都由FIN_WAIT_1变迁到CLOSING，并发送最后的ACK报文段，最后都进入TIME_WAIT状态。