TCP的状态转换及生产问题实操
前文介紹了TCP協議主要的流程，包括建立連接、傳輸數據和斷開連接。如果大家認真閱讀了附圖，應該可以看到在各個流程中套接字的狀態是在不斷變化的，不同的狀態標識了套集字所處的階段。
如圖1是TCP一個完整的狀態轉換圖，圖中包含了套接字的所有狀態，以及發生狀態轉變的觸發條件。可能會有人問，了解這些狀態有什么用呢?我們平時編程又用不到。
圖1 TCP狀態轉換圖
為了說明上述問題，我們從3個角度進行解釋，分別是各種狀態的含義、在系統層面如何查詢狀態和在實際生產中的應用。
一、各種狀態的含義
在回答問題之前我們先具體了解一下各個狀態的含義。
- CLOSED：這個是套接字的初始狀態，表示TCP連接是新建“未打開的”狀態或者已經“關閉著的”。
- LISTEN ：這個是服務端僅有的狀態，表示服務器端的某個SOCKET處于監聽狀態，可以接受客戶端的連接。
- SYN_RCVD ：表示服務器接收到了來自客戶端請求連接的SYN報文。在正常情況下，這個狀態我們可能觀察不到，因為這個狀態是服務器端的SOCKET在建立TCP連接時的三次握手會話過程中的一個中間狀態，很短暫。
- SYN_SENT ：這個狀態與SYN_RCVD 狀態相呼應，當客戶端SOCKET執行connect()進行連接時，它首先發送SYN報文，然后隨即進入到SYN_SENT 狀態，并等待服務端的發送三次握手中的第2個報文。SYN_SENT 狀態表示客戶端已發送SYN報文。
- ESTABLISHED ：表示TCP連接已經成功建立。
- FIN_WAIT_1 ：這個狀態得好好解釋一下，其實FIN_WAIT_1 和FIN_WAIT_2 兩種狀態的真正含義都是表示等待對方的FIN報文。而這兩種狀態的區別是：FIN_WAIT_1狀態實際上是當SOCKET在ESTABLISHED狀態時，它想主動關閉連接，向對方發送了FIN報文，此時該SOCKET進入到FIN_WAIT_1 狀態。而當對方回應ACK報文后，則進入到FIN_WAIT_2 狀態。當然在實際的正常情況下，無論對方處于任何種情況下，都應該馬上回應ACK報文，所以FIN_WAIT_1 狀態一般是比較難見到的，而FIN_WAIT_2 狀態有時仍可以用netstat看到。
- FIN_WAIT_2 ：上面已經解釋了這種狀態的由來，實際上FIN_WAIT_2狀態下的SOCKET表示半連接，即有一方調用close()主動要求關閉連接。注意：FIN_WAIT_2 是沒有超時的(不像TIME_WAIT 狀態)，這種狀態下如果對方不關閉(不配合完成4次揮手過程)，那這個 FIN_WAIT_2 狀態將一直保持到系統重啟，越來越多的FIN_WAIT_2 狀態會導致內核crash。
- TIME_WAIT ：表示收到了對方的FIN報文，并發送出了ACK報文。 TIME_WAIT狀態下的TCP連接會等待2*MSL(Max Segment Lifetime，最大分段生存期，指一個TCP報文在Internet上的最長生存時間。)在Linux可以通過cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout看到本機的這個值，然后即可回到CLOSED 可用狀態了。
- CLOSING ：這種狀態在實際情況中應該很少見，屬于一種比較罕見的例外狀態。正常情況下，當一方發送FIN報文后，按理來說是應該先收到(或同時收到)對方的ACK報文，再收到對方的FIN報文。但是CLOSING 狀態表示一方發送FIN報文后，并沒有收到對方的ACK報文，反而卻也收到了對方的FIN報文。什么情況下會出現此種情況呢?那就是當雙方幾乎在同時close()一個SOCKET的話，就出現了雙方同時發送FIN報文的情況，這是就會出現CLOSING 狀態，表示雙方都正在關閉SOCKET連接。
- CLOSE_WAIT ：表示正在等待關閉。怎么理解呢?當對方close()一個SOCKET后發送FIN報文給自己，你的系統毫無疑問地將會回應一個ACK報文給對方，此時TCP連接則進入到CLOSE_WAIT狀態。接下來呢，你需要檢查自己是否還有數據要發送給對方，如果沒有的話，那你也就可以close()這個SOCKET并發送FIN報文給對方，即關閉自己到對方這個方向的連接。有數據的話則看程序的策略，繼續發送或丟棄。簡單地說，當你處于CLOSE_WAIT 狀態下，需要完成的事情是等待你去關閉連接。
- LAST_ACK ：當被動關閉的一方在發送FIN報文后，等待對方的ACK報文的時候，就處于LAST_ACK 狀態。當收到對方的ACK報文后，也就可以進入到CLOSED 可用狀態了。
二、狀態的監控方法
前文已經有提及，可以通過netstat命令查看TCP連接的狀態。圖2是一個簡單的例子，執行該命令的時候不帶任何參數。
圖2 netstat執行結果
由上圖可以看出，通過netstat可以看到每個TCP連接和UDP的狀態和詳細的IP地址等信息。該命令有很多參數，通過不同的參數可以得到我們想要的內容。下面我們舉幾個具體的例子。
1. 顯示所有端口信息
可以通過-a參數列出所有端口信息，而且可以附帶-t只列出TCP協議的，或者-u只列出UDP協議的端口信息。
?2. 顯示所有監聽狀態的套接字
可以通過-l參數列出所有處于監聽狀態的套接字。當然也可以結合-t或者-u參數獲取想要的信息。如下是獲取TCP處于監聽狀態的套接字列表：
??
圖3 監聽狀態列表
3. 查看服務狀態
可以查看具體的服務的監聽和套接字等狀態。例如下面命令用于查看ssh服務的狀態：
?圖3 SSH狀態結果
4. 其它
當然，也可以通過shell腳本實現復雜的查詢，比如下面用于統計ESTABLISHED狀態的數量。
?netstat命令功能非常強大，由于篇幅問題，本文只能拋磚引玉，更多功能可以man一下看看，這里就不過多解釋。
三、實際生產環境的意義
前面啰嗦了一大堆，我們回到正題，了解這些狀態到底有什么用呢?我們知道Linux操作系統對文件句柄的總量是有限制的，套接字也屬于文件句柄，因此也是有限制的。了解套接字的狀態有助于我們了解服務器是否有隱患或者性能瓶頸。
說到這，可能有的同學還是不明白，我們舉個簡單的例子。假設一臺服務器最多有6萬個句柄，如果由于某種業務場景，在服務器端出現大量的TIME_WAIT，此時這些套接字是無法馬上釋放，也就是無法馬上被重復使用，但仍然占用6萬句柄的名額。這塊，隨著時間的推移，可能會耗盡所有句柄，從而導致有新的連接請求是服務器端無法響應的問題。
為了讓大家更形象的理解這些狀態在實際生產中的意義，我們舉幾個實際生產中遇到問題的例子。
1. 服務器端大量TIME_WAIT
(1) 現象描述
某對象存儲服務，在監控系統發現有大量的TIME_WAIT。經確認該服務器是一臺新上架接入的服務器。經反復確認，具備相同功能的同集群的其它服務器工作都正常，并不存在大量TIME_WAIT的情況。
(2) 問題分析
結合協議我們知道主動關閉方會處于該狀態，而且TIME_WAIT狀態下的TCP連接會等待2*MSL。因此我們查看系統配置cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout，發現是默認值。因此，確定是等待時間太長，導致套接字無法被利用所致。
(3) 問題解決
通過調整內核參數解決，打開文件/etc/sysctl.conf，編輯文件，加入以下內容：
?然后執行/sbin/sysctl -p讓參數生效。
上述內容的含義具體如下：
- net.ipv4.tcp_syncookies = 1表示開啟SYN Cookies。當出現SYN等待隊列溢出時，啟用cookies來處理，可防范少量SYN攻擊，默認為0，表示關閉;
- net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1表示開啟重用。允許將TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP連接，默認為0，表示關閉;
- net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1表示開啟TCP連接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默認為0，表示關閉。
- net.ipv4.tcp_fin_timeout修改系統默認的TIMEOUT時間
2. 服務器端大量ESTABLISHED
(1) 問題描述
某Tomcat服務器出現大量ESTABLISHED連接。
(2) 問題分析
根據協議狀態轉換情況，初步推斷是tomcat服務器回收session時出了問題，這個一般都跟服務器的Timeout設置有聯系。
查看tomcat的配置文件 server.xml
?我們重點關注一下connectionTimeout，這個配置導致建立一個socket連接后，如果一直沒有收到客戶端的FIN，也沒有數據過來，那么此連接也必須等到10s后，才能被超時釋放。由于服務器并發量大，而該超時時間有長，導致連接釋放嚴重滯后，因此出現大量的ESTABLISHED連接。
(3) 問題解決
分析上述問題后，我們有針對性的作出如下修改。
?修改后問題解決。
實際的例子還很多，但萬變不離其宗，需要我們熟悉TCP協議和狀態轉換，這樣在實際生產中遇到問題就可以有理有據的進行分析，然后輕松解決。
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以上是生活随笔為你收集整理的TCP的状态转换及生产问题实操的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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