TCP狀態轉換圖詳解

一、TCP狀態轉換圖概述

TCP協議是目前互聯網上使用最廣泛的協議之一，它建立在IP協議之上，為應用程序提供可靠的傳輸服務。而TCP協議的核心就是它的狀態機，對連接的建立、維護和關閉都有非常重要的作用。TCP狀態轉換圖描述了TCP協議在數據傳輸過程中，可能出現的所有狀態轉換情況，是我們理解TCP協議的關鍵。

二、TCP狀態轉換圖格式

TCP的狀態轉換圖一般採用「Mealy狀態機」來描述，其中狀態是圖形化表示（用圓圈表示），轉移條件是用線條表示的，如下圖所示：

       +---------+      timeout       +---------+
       |  CLOSED |----------------->|  CLOSED |    PASSIVE
       +---------+                   +---------+
            ^                             |    
            |             listen          |    
            |                             |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       |   LISTEN|                   |   SYNRCVD |
       +---------+                   +---------+
            ^                             |    
            |            SYN/ACK          |    
            |       rcv SYN           |    
            |                  snd ACK,SYN |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | ESTAB   |------------------->| ESTAB   |
       +---------+    connection           +---------+
            |             setup             |    
            |              close            |    
            |             FIN           |    
            |         snd FIN         |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | FINWAIT1|                   | CLOSWAIT |
       +---------+                   +---------+
            |              FIN           |    
            |         rcv ACK of FIN  |    
            |                             |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | FINWAIT2|                   | LAST    |
       +---------+                   +---------+
            |   rcv FIN                |    
            |           |    
            |           |   timeout     |    
            |           v           |    
       +---------+     +---------+
       | TIMEWAIT|     |CLOSED |
       +---------+     +---------+

其中每個狀態所表示的含義如下：

CLOSED：表示TCP連接處於關閉狀態，沒有任何連接的存在。
LISTEN：表示TCP正在監聽相關埠，以便接收客戶端發起的連接請求。
SYNRCVD：表示TCP收到了一個連接請求，並在發送相應的SYN和ACK報文。
ESTAB：表示TCP連接已經建立，可以進行數據的傳輸。
FINWAIT1：表示TCP連接在發送了FIN後等待對方的ACK。
CLOSEWAIT：表示TCP連接在接收到對方的FIN後，發送自己的ACK，並等待對方關閉連接。
FINWAIT2：表示TCP連接在接收到對方的FIN後，等待對方的ACK。
LAST：表示TCP連接在發送FIN後，進入等待對方的ACK狀態。
TIMEWAIT：表示TCP連接在發送ACK後，等待2MSL時間後進入關閉狀態。

三、TCP狀態轉換圖狀態轉移解析

1. TCP連接的建立

當一個TCP客戶端想建立與伺服器的連接時，它需要發送一個SYN報文段，並等待伺服器的ACK報文段，如果伺服器接受連接，就會發送一個SYN和ACK報文段。此時，客戶端將進入ESTABLISHED狀態。如果伺服器不接受連接，它將發送一個RST報文段，客戶端將進入CLOSED狀態。下圖為TCP連接建立的狀態轉換圖:

              +---------+   SYN/ACK   +---------+ 
              |   CLOSED|<-----------|   SYNRCVD|
              +---------+            +---------+
                   |  SYN    |             ^
                   |------------------------|
                   |             |   ACK    |
                   V             V          |
              +---------+   ESTABLISHED +---------+ 
              | ESTABLISHED |------------| ESTABLISHED | 
              +---------+            +---------+

相應的代碼實例：

// TCP客戶端
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.1");
servaddr.sin_port = htons(8080);

connect(sockfd, (const struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));

// TCP伺服器
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in servaddr;

listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));

servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8080);

bind(listenfd, (const struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 10);

connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);

2. TCP連接的中斷

當TCP連接需要關閉時，必須執行一些操作以確保流量的正確傳輸，這些操作包括FIN、ACK和RST報文的交換。其中，FIN報文用於通知對端連接需要關閉，ACK報文用於確認FIN報文已經收到，並告知對端自己還需要發送多少數據，RST報文用於強制關閉連接。

下圖為TCP連接關閉過程的狀態轉換圖：

                 +---------+  FIN/ACK   +---------+
                 | ESTABLISHED |--------->| FIN_WAIT_1|
                 +---------+            +---------+
                       |    FIN     |         ^
                       |--------------         |
                       |             ACK    |
                       V                         |
                 +---------+         +---------+
                 | FIN_WAIT_2 |------>|   TIME_WAIT   |
                 +---------+         +---------+
                       |   FIN/ACK  |         ^
                       |----------           |
                       |                   ACK    |
                       V                   |
                 +---------+         +---------+
                 |     CLOSED|<-------|   LAST_ACK  |
                 +---------+         +---------+

相應的代碼實例：

// TCP連接關閉
shutdown(sockfd, SHUT_WR);

四、TCP狀態轉換圖常見問題

1. 為什麼TCP連接需要經過三次握手過程建立連接？

TCP連接的建立需要經過三次握手過程，這是因為在TCP協議中，連接的雙方必須要確定對方的接收能力和發送能力才能正確地發送數據。因此，第一次握手用於客戶端發送SYN報文，第二次握手用於伺服器響應SYN報文，並發送自己的SYN報文和ACK報文，第三次握手用於客戶端響應伺服器的ACK報文。

2. TCP連接的中斷為什麼需要四次揮手？

TCP連接的中斷需要經過四次揮手過程，這是因為在TCP連接關閉過程中，需要讓雙方都有足夠的時間去重傳可能會丟失的傳輸層數據。因此，第一次揮手用於由一端關閉連接，發送FIN報文，第二次揮手用於對方響應FIN報文，並ACK確認收到，第三次揮手用於對方發送自己的FIN報文，第四次揮手用於本地響應FIN報文並ACK。

五、總結

TCP狀態轉換圖是我們理解TCP協議的關鍵，它描述了TCP協議在數據傳輸過程中可能出現的所有狀態轉換情況。在實際的TCP應用中，需要根據狀態轉換圖來合理地進行TCP連接的建立和中斷，以確保流量的正確傳輸。

原創文章，作者：UNJEI，如若轉載，請註明出處：https://www.506064.com/zh-tw/n/366258.html