考研笔记

TCP 连接管理

TCP 是面向连接的协议，因此每个 TCP 连接都有三个阶段：连接建立、数据传送和连接释放。TCP 连接的管理就是使运输连接的建立和释放都能正常进行。

这是第 5 章真题最密集的一节：建立连接的报文段字段（2011、2012、2016、2019），序号分析（2020、2023），释放时的状态变化（2021）和时间分析（2016、2022、2024）都考过。本页 3 道错题全部是序号计算。 算序号只需记住一条：SYN 和 FIN 各消耗一个序号，纯确认不消耗。

机制

连接建立前要解决的问题

在 TCP 连接建立的过程中，要解决以下三个问题：

  1. 要使每一方能够确知对方的存在。
  2. 要允许双方协商一些参数（如最大窗口值、是否使用窗口扩大选项、时间戳选项等）。
  3. 能够对运输实体资源（如缓存大小、连接表中的项目等）进行分配。

TCP 把连接作为最基本的抽象，每条 TCP 连接有两个端点，TCP 连接的端点不是主机，不是主机的 IP 地址，不是应用进程，也不是传输层的协议端口。TCP 连接的端口即为套接字（Socket），每一条 TCP 连接唯一地被通信的两个端点（两个套接字）所确定。还应注意：同一个 IP 地址可以有多个不同的 TCP 连接，而同一个端口号也可以出现在多个不同的 TCP 连接中（套接字见 5.1.2）。

TCP 连接的建立采用客户/服务器模式。主动发起连接建立的应用进程称为客户（Client），而被动等待连接建立的应用进程称为服务器（Server）。

TCP 连接的建立：三次握手

连接建立前，服务器处于 LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求（TCP 连接建立的报文段中各字段的分析 2011、2012、2016、2019 年考过）。

sequenceDiagram
  participant A as 客户机 A
  participant B as 服务器 B
  Note over A: CLOSED → 主动打开
  Note over B: CLOSED → 被动打开 → LISTEN
  A->>B: ① SYN=1, seq=x
  Note over A: SYN-SENT
  B->>A: ② SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
  Note over B: SYN-RCVD
  A->>B: ③ ACK=1, seq=x+1, ack=y+1
  Note over A: ESTABLISHED
  Note over B: ESTABLISHED
  1. 第一步：客户机首先向服务器发送连接请求报文段。请求报文段的 SYN 位置 1，同时选择一个初始序号 seq=。TCP 规定，SYN 报文段（SYN=1 的报文段）不能携带数据，但要消耗一个序号。这时，客户机进入 SYN-SENT（同步已发送）状态。
  2. 第二步：服务器收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向客户机发回确认。确认报文段的 SYN 位和 ACK 位都置 1，确认号 ack=，同时选择一个初始序号 seq=。确认报文段不能携带数据，但也要消耗一个序号。 这时，服务器进入 SYN-RCVD（同步收到）状态。
  3. 第三步：客户机收到确认报文段后，还要向服务器给出确认。确认报文段的 ACK 位置 1，确认号 ack=，序号 seq=。该报文段可以携带数据。若不携带数据，则不消耗序号，下一个数据报文段的序号仍为 。 这时，客户机进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态。

当服务器收到来自客户机的确认后，也进入 ESTABLISHED 状态。成功进行以上三步后，就建立了 TCP 连接，接下来就可以传送应用层数据。TCP 提供的是全双工通信，因此通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。

TCP 连接的释放：四次挥手

参与 TCP 连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接（TCP 连接建立、数据传送、连接释放的报文段中序号字段的分析 2020、2023 年考过）。

sequenceDiagram
  participant A as 客户机 A
  participant B as 服务器 B
  Note over A,B: ESTABLISHED，数据传送
  A->>B: ① FIN=1, seq=u
  Note over A: FIN-WAIT-1
  B->>A: ② ACK=1, seq=v, ack=u+1
  Note over B: CLOSE-WAIT（通知应用进程）
  Note over A: FIN-WAIT-2
  B-->>A: 半关闭：B 仍可继续发送数据
  B->>A: ③ FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1
  Note over B: LAST-ACK
  A->>B: ④ ACK=1, seq=u+1, ack=w+1
  Note over A: TIME-WAIT，等待 2MSL 后 CLOSED
  Note over B: CLOSED
  1. 第一步：客户机打算关闭连接时，向服务器发送连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭 TCP 连接。该报文段的 FIN 位置 1，序号 seq=，它等于前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加 1。FIN 报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。 这时，客户机进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态。TCP 是全双工的，即可以想象为一条 TCP 连接上有两条数据通路，发送 FIN 的一端不能再发送数据，即关闭了其中一条数据通路，但对方还可以发送数据。
  2. 第二步：服务器收到连接释放报文段后即发出确认。该报文段的 ACK 位置 1，确认号 ack=，序号 seq=，等于它前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加 1。然后服务器进入 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。此时，从客户机到服务器这个方向的连接就释放了，但从服务器到客户机这个方向的连接并未关闭，TCP 连接处于半关闭状态。客户机收到来自服务器的确认后，进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态，等待服务器发出的连接释放报文段。
  3. 第三步（TCP 连接释放过程中状态的变化 2021 年考过）：若服务器已经没有要向客户机发送的数据，就向其发送连接释放报文段。该报文段的 FIN 位和 ACK 位都置 1，序号 seq=（处于半关闭状态的服务器可能又发送了一些数据），还必须重复发送上次已发送的确认号 ack=。这时服务器进入 LAST-ACK（最后确认）状态。
  4. 第四步（TCP 连接释放的过程及状态变化的时间分析 2016、2022、2024 年考过）：客户机收到连接释放报文段后，必须发出确认，之后进入 TIME-WAIT（时间等待）状态。该报文段的 ACK 位置 1，确认号 ack=，序号 seq=。服务器收到该确认报文段后就进入 CLOSED（连接关闭）状态。客户机进入 TIME-WAIT 状态后，还要经过时间等待计时器设置的时间 2MSL（Maximum Segment Lifetime，最长报文段寿命）后，才进入 CLOSED 状态。

若服务器收到连接释放请求后不再发送数据，则从客户机发出 FIN 报文段时刻算起，客户机释放连接的最短时间为 1RTT + 2MSL，服务器释放连接的最短时间为 1.5RTT。

除时间等待计时器外，TCP 还使用一个保活计时器，以避免客户机突然出现故障，而导致服务器一直无效等待。服务器每收到一次客户的数据，就会重置保活计时器，若计时到期后还没有收到客户的数据，服务器就每隔 75 秒发送一个探测报文段。若连续发送 10 个探测报文段后仍未收到客户的响应，则服务器认为客户机出了故障，关闭这个连接。

小结

报文段标志序号确认号消耗序号
建立 ①客户 → 服务器SYN=1——1
建立 ②服务器 → 客户SYN=1，ACK=11
建立 ③客户 → 服务器ACK=1不带数据则 0
释放 ①客户 → 服务器FIN=1——1
释放 ②服务器 → 客户ACK=10
释放 ③服务器 → 客户FIN=1，ACK=11
释放 ④客户 → 服务器ACK=10

释放 ① 的”确认号”一栏为”——“，是就教材的示意图而言的；按 5.3.2 的规定，连接建立后所有报文段的 ACK 都置 1，所以实际的 FIN 报文段也带有确认号。

计算模板

由序号求数据量

  1. 建立连接时 SYN 的序号为 ，则第一个数据字节的序号为 。
  2. 释放连接时 FIN 的序号为 ，则最后一个数据字节的序号为 。
  3. 已发送的数据字节数 （假设无重传）。

边界

错题复盘：第三次握手不带数据就不消耗序号，第一个数据报文段的序号是初始序号加 1

王道 5.3.7 第 28 题：甲发起与乙的 TCP 连接，甲选择的初始序号为 200，若甲和乙建立连接过程中最后一个报文段不携带数据，则 TCP 连接建立后，甲给乙发送的数据报文段的序号为（A. 203　B. 202　C. 201　D. 200）。答案 C。

第一次握手 SYN 报文段 seq=200，消耗一个序号；第三次握手 seq=201，不携带数据，不消耗序号。所以连接建立后甲发送的第一个数据报文段的序号仍为 201。

选 B、A 是把第二次、第三次握手也算进了甲的序号——第二次握手是乙发的，消耗的是乙的序号；第三次握手不带数据，什么都不消耗。

错题复盘：SYN 与 FIN 各占一个序号，数据字节数 = FIN 序号 − SYN 序号 − 1

2020 年统考真题（王道 5.3.7 第 54 题）：若主机甲与主机乙建立 TCP 连接时，发送的 SYN 段中的序号为 1000，在断开连接时，主机甲发送给主机乙的 FIN 段中的序号为 5001，则在无任何重传的情况下，甲向乙已经发送的应用层数据的字节数为（A. 4002　B. 4001　C. 4000　D. 3999）。答案 C。

SYN 段的序号 1000 被 SYN 本身占用，第一个数据字节的序号为 1001；FIN 段的序号 5001 等于已传送数据最后一个字节的序号加 1，所以最后一个数据字节的序号为 5000。数据字节为 1001～5000，共 字节。

直接相减 是把 SYN 当成了数据；再加 1 得 4002 是端点都算。套公式 最稳。

错题复盘：服务器的 FIN 报文段 ack 一定是 x+1，但 seq 不一定是 y

王道 5.3.7 第 25 题：某客户与服务器建立 TCP 连接，当连接断开时，客户先向服务器发送一个标志 FIN=1 的报文段 A，此报文段中 seq 值为 ，ack 值为 。一段时间后，客户收到了服务器发来的一个标志 FIN=1 的报文段 B，则下列关于报文段 B 的说法中，正确的是（A. B 中的 seq 值一定为 　B. B 中的 seq 值一定为 　C. B 中的 ack 值一定为 　D. B 中的 ack 值一定为 ）。答案 D。

客户发出 FIN 后就不再发送数据（半关闭），报文段 A 本身消耗一个序号，所以服务器此后所有报文段（包括 B）的确认号一定是 ——第三次挥手要”重复发送上次已发送的确认号”。

服务器的序号则不确定：报文段 A 的 ack 值为 ，说明客户期望服务器下一个字节是 ；但服务器在 CLOSE-WAIT 的半关闭状态下还可以继续发送数据，发多少都有可能，所以 B 的 seq 值只能写成 ，不一定等于 或 。

SYN 报文段不能携带数据，但要消耗一个序号；FIN 报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号。 第三次握手的 ACK 可以携带数据，不携带则不消耗序号。

TCP 连接的端点是套接字。 不是主机、不是 IP 地址、不是进程、也不是端口；同一端口可以出现在多条连接中（服务器的 80 端口同时与许多客户相连）。

先发 FIN 的一方进入 TIME-WAIT。 教材中是客户机，但主动关闭的一方可以是任何一端；等待 2MSL 的是主动关闭方。

半关闭期间，被动关闭方仍可发送数据。 所以第三次挥手的序号 可能大于 。

释放连接的最短时间：主动关闭方 1RTT + 2MSL，被动关闭方 1.5RTT（在被动方收到 FIN 后不再发数据的前提下）。

口径差异：为什么要等 2MSL，保活计时器多久触发

教材口径：客户机进入 TIME-WAIT 后，经过 2MSL 才进入 CLOSED；保活计时器到期后每隔 75 秒发一个探测报文段，连续 10 个无响应则关闭连接。

标准口径：等待 2MSL 有两个目的——若最后一个 ACK 丢失，服务器会重传 FIN，客户机还在 TIME-WAIT 就能再次确认；同时让本连接中所有迟到的报文段在网络中消失，不会混入之后用同一对套接字建立的新连接。MSL 的取值由实现决定，Linux 的 TIME-WAIT 固定为 60 秒。保活计时器在实际系统中默认空闲 2 小时才开始探测，Linux 默认间隔 75 秒、探测 9 次，均可调整。

考试按教材口径作答。

对照速查

说法对错
TCP 连接的端点是主机的 IP 地址❌（套接字）
同一个端口号可以出现在多个 TCP 连接中✅
SYN 报文段可以携带数据❌（不能携带，但消耗一个序号）
第三次握手的报文段可以携带数据✅
第三次握手不带数据时，下一个数据报文段的序号仍为 ✅
不带数据的 FIN 报文段不消耗序号❌（消耗一个）
客户机发送 FIN 后，服务器就不能再发送数据❌（半关闭，服务器仍可发送）
服务器收到最后的 ACK 后进入 TIME-WAIT❌（直接 CLOSED；TIME-WAIT 在主动关闭方）
主动关闭方释放连接的最短时间是 1RTT + 2MSL✅
服务器第三次挥手报文段的确认号与第二次相同✅

考点

  • 三次握手：SYN=1,seq=x → SYN=1,ACK=1,seq=y,ack=x+1 → ACK=1,seq=x+1,ack=y+1（2011、2012、2016、2019）
  • 四次挥手的序号、确认号（2020、2023）与状态（2021）：FIN-WAIT-1、CLOSE-WAIT、FIN-WAIT-2、LAST-ACK、TIME-WAIT
  • SYN、FIN 消耗序号；纯 ACK 不消耗
  • 2MSL；释放时间 1RTT + 2MSL 与 1.5RTT（2016、2022、2024）
  • 连接端点 = 套接字；保活计时器

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