上篇介紹了socket程式設計的準備知識，是不是有一種很想馬上就開始瞭解網路程式設計，甚至開始寫點程式碼的感覺，彆著急，網路程式設計中還有一個比較重要的概念是TCP/IP，中文名稱叫網路傳輸協議，本質上，TCP/IP是一種協議，同時也是網路程式設計中最重要的協議之一。TCP/IP涉及到的內容實在太多，無奈筆者才疏學淺，無法把整個TCP/IP介紹給大家，這篇文章的目的主要是基於上一篇文章的前提下，介紹TCP連線三次握手和斷開連線四次揮手究竟做了什麼？socket的狀態有哪些？在各個API執行的過程中，socket的狀態是怎麼變化的？希望通過這篇文章，能讓大家對在TCP連線建立與斷開過程中，socket的整個狀態變化流程有更深入的瞭解。
幾個術語
SYN : 同步序列編號，Synchronize Sequence Numbers，僅在三次握手建立TCP連線時有效。表示一個新的TCP連線請求。
ACK : 確認編號，Acknowledgement Number，對TCP請求的確認標誌，同時提示對端系統已經成功接收所有資料。
FIN : 結束標誌，FINISH，用來結束一個TCP會話，但對應埠仍處於開放狀態，準備接收後續資料。
TCP三次握手
建立一次連線會有下面的流程
1）伺服器通過socket（初始化socket）、bind（繫結ip埠）、listen（開始監聽服務）完成一次socket連線的建立，並呼叫accept函式準備好接收外部請求連線，這一步被稱為被動開啟
2）客戶端通過socket（初始化socket）完成了連線建立，呼叫connect函式發起主動開啟，此時客戶端會傳送一個SYN分節J給伺服器，J的作用是告訴伺服器，在接下來的資料傳輸過程中，J是客戶端在連線中傳輸資料的初始序列號
3）伺服器收到客戶端的SYN分節後，需要回復確認訊號ACK，J+1，代表伺服器已經收到客戶端的請求，且已經確認了客戶端的初始序列號，同時伺服器會傳送SYN分節K給客戶端，K的作用是告訴客戶端，在接下來的資料傳輸過程中，K是伺服器在連線中傳輸資料的初始序列號
4）客戶端收到伺服器的SYN分節後，回覆確認訊號（ACK）K+1。連線建立成功。
整個建立連線過程至少需要三個分節，因此被稱為TCP三路握手。下面是TCP三次握手的流程圖：
TCP四次握手
TCP通過三次握手建立連線，然而，斷開連線需要四次握手，TCP斷開連線的流程描述如下：
1、客戶端應用程式呼叫close函式，TCP中，稱首先呼叫close的那一端為主動關閉，主動關閉的這一端傳送FIN分節，意味著已經完成傳送資料了；
2、另一端（即伺服器），接收到關閉請求，也收到FIN分節，開始執行被動關閉操作，稱為被動關閉的一端。這個FIN分節由TCP確認，傳送一個確認分節ACK給客戶端，收到的FIN同時也是作為檔案結束符傳遞給應用，意味著應用程式在接收了FIN之後就不會再接收連線上的資料；
3、之後，接收到檔案結束符的應用程式會關閉它的socket，服務端的TCP也會傳送一個FIN分節；
4、客戶端接收到FIN分節，並確認最後的關閉操作，傳送ACK分節給服務端。
整個連線過程中，每一端的關閉和確認關閉都各自需要一個FIN和ACK分節，整個過程通常共需要4個分節，因此也稱為TCP四次握手。下面是TCP關閉連線四次握手的流程圖：
實際上，網路上的傳輸是沒有連線的，包括TCP也是一樣，TCP所謂的"連線"與"斷開連線"，其實只是一種虛擬的叫法，只不過是在通訊的雙方維護一個"連線狀態"，讓它看上去好像有連線一樣，所以，瞭解TCP的狀態變換是非常重要的，接下來介紹socket的狀態以及在TCP建立連線與斷開連線過程中，socket狀態的變化。
socket狀態
socket共定義了11種狀態：LISTEN、SYN-SENT、SYN-RECEIVED、ESTABLISHED、FIN-WAIT-1、FIN-WAIT-1、CLOSE_WAIT、FIN_WAIT、LAST-ACK、TIME-WAIT、CLOSING、CLOSED。
我們假定A服務請求連線B服務。
LISTEN：開始建立連線，此時socket已經初始化成功，正在等待連線
SYN-SENT：A成功傳送連線請求給B，等待對方響應
SYN-RECEIVED：B接收到A的連線請求，並回復了確認進行連線給A，此狀態表示正在等待A也回覆確認收到此訊息
ESTABLISHED：表示連線已經成功建立；這個狀態是連線階段中進行資料傳輸的正常狀態
FIN-WAIT-1：等待主動斷開連線請求的確認，或者併發請求被拒絕的斷開連線，這種狀態通常持續時間很短，比較難捕捉
FIN-WAIT-2：等待B斷開連線操作，這個狀態通常持續時間也很短，但是如果B發生阻塞或者其他原因沒有關閉連線，那麼這個狀態就會持續較長時間
CLOSE-WAIT：B已經收到了A的斷開連線請求，正在等待本地應用程式傳送斷開連線請求
CLOSING：A正在等待B的關閉連線確認訊號，當A接收到本地程式斷開連線的請求後，就傳送斷開連線請求給B，並進入此狀態
LAST-ACK：B等待斷開連線的確認訊號
TIME-WAIT：等待一段時間，確認B接收到A的關閉連線確認訊號
CLOSED：連線完全關閉
那麼在一個完整的TCP連線過程，TCP的狀態是怎麼轉換的呢？
先來看看下面這張圖，是UNIX網路程式設計中，TCP狀態變化的經典流程圖：
在server端，呼叫socket函式建立一個sockect，函式返回一個socket檔案描述符，呼叫bind函式繫結ip地址和埠，之後呼叫listen函式，scokect變成正在監聽的socket，進入LISTEN狀態，並呼叫accept等待請求（想要測試LISTEN狀態，可以建立socket=>bind=>listen，然後sleep10秒之後退出，啟動server之後馬上用netstat命令可以看到）
客戶端呼叫connect，主動開啟檔案描述符，請求建立連線，此時會觸發TCP的三次握手，進入SYN-SENT狀態
此時伺服器呼叫了accept正在阻塞階段，接收到客戶端的連線請求後，進入SYN-RECEIVED狀態，回覆確認報文給客戶端，等待客戶端確認連線
客戶端收到伺服器的連線確認報文SYN後，此時TCP已經完成了三次握手，connect函式返回，確認建立連線，轉成ESTABLISHED狀態，併傳送確認報文ACK給伺服器。（當第二次握手完成，握手步驟的第二個segment被client接收到的時候，connect函式返回。）
在伺服器側，接收到客戶端的確認報文，accept也收到返回，伺服器也進入ESTALISHED狀態。（握手步驟的第三個分節被server接收到的時候，accept函式返回，即connect返回後經過一半的RTT時間才返回。）
客戶端和服務端成功建立"連線"後，就進行開始通訊，此時會呼叫read/write函式進行讀寫資料，讀寫資料完畢後，就準備關閉連線
假定客戶端應用程式，收到了伺服器的響應報文，完成了通訊過程，準備關閉應用，呼叫close函式發起主動關閉，此時客戶端進入FIN-WAIT1狀態，傳送FIN分節到伺服器，等待伺服器確認
服務端收到斷開連線請求分節FIN（M），此時read函式返回0，伺服器準備執行關閉操作，不再接收任何資料，併傳送確認報文ACK（M+1）給客戶端
客戶端收到確認分節後，表示伺服器已經接收到斷開連線請求，此時不會再傳送資料並等待伺服器斷開連線，進入FIN-WAIT2狀態
伺服器傳送確認斷開連線後，呼叫close函式，斷開連線，close函式成功返回後，傳送FIN分節給客戶端，進入LASK-ACK狀態，等待客戶端的確認
客戶端收到伺服器的斷開連線分節FIN（N）後，傳送確認分節ACK給伺服器，並進入TIME-WAIT狀態，此時會等待足夠的時間，大約是最長分節生命期的2倍（2MSL），確認伺服器收到斷開連線的確認分節，之後就會消失。 伺服器收到客戶端的斷開連線的確認分節ACK（N+1）後，表示連線已經完全斷開了，此時進入CLOSED狀態
看完上面的一大段文字可能有點枯燥，甚至有點懵，來看看這張動畫圖：
總結
本次主要介紹了TCP狀態，以及在TCP連線建立和斷開過程中，TCP狀態的變化，掌握了這個，對理解網路程式設計中，各個流程的狀態有比較大的幫助，比如在排查服務是否啟動的時候，就可以通過netstat -nlp | grep '埠號'，檢視服務的狀態描述字串，如果是LISTEN狀態表示服務已經正常啟動，如果服務處於其他狀態，則可以通過服務狀態來進一步排查問題。
原創文章，文筆有限，才疏學淺，文中若有不正之處，萬望告知。
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