为什么书上说是-TCP-四次挥手，但是实际会出现-TCP-三次挥手？

虽然我们在学习 TCP 挥手时;学到的是需要四次来完成 TCP 挥手;但是在一些情况下; TCP 四次挥手是可以变成 TCP 三次挥手的。

而且在用 wireshark 工具抓包的时候;我们也会常看到 TCP 挥手过程是三次;而不是四次;如下图; 

先来回答为什么 RFC 文档里定义 TCP 挥手过程是要四次?再来回答什么情况下;什么情况会出现三次挥手?

为什么 TCP 挥手需要四次?

TCP 四次挥手的过程如下;

具体过程;

你可以看到;每个方向都需要一个 FIN 和一个 ACK;因此通常被称为四次挥手。

为什么 TCP 挥手需要四次呢?

服务器收到客户端的 FIN 报文时;内核会马上回一个 ACK 应答报文;但是服务端应用程序可能还有数据要发送;所以并不能马上发送 FIN 报文;而是将发送 FIN 报文的控制权交给服务端应用程序;

从上面过程可知;是否要发送第三次挥手的控制权不在内核;而是在被动关闭方;上图的服务端;的应用程序;因为应用程序可能还有数据要发送;由应用程序决定什么时候调用关闭连接的函数;当调用了关闭连接的函数;内核就会发送 FIN 报文了;所以服务端的 ACK 和 FIN 一般都会分开发送。

FIN 报文一定得调用关闭连接的函数;才会发送吗?

不一定。如果进程退出了;不管是不是正常退出;还是异常退出;如进程崩溃;;内核都会发送 FIN 报文;与对方完成四次挥手。

粗暴关闭 vs 优雅关闭

前面介绍 TCP 四次挥手的时候;并没有详细介绍关闭连接的函数;其实关闭的连接的函数有两种函数;

如果客户端是用 close 函数来关闭连接;那么在 TCP 四次挥手过程中;如果收到了服务端发送的数据;由于客户端已经不再具有发送和接收数据的能力;所以客户端的内核会回 RST 报文给服务端;然后内核会释放连接;这时就不会经历完成的 TCP 四次挥手;所以我们常说;调用 close 是粗暴的关闭。

当服务端收到 RST 后;内核就会释放连接;当服务端应用程序再次发起读操作或者写操作时;就能感知到连接已经被释放了;

相对的;shutdown 函数因为可以指定只关闭发送方向而不关闭读取方向;所以即使在 TCP 四次挥手过程中;如果收到了服务端发送的数据;客户端也是可以正常读取到该数据的;然后就会经历完整的 TCP 四次挥手;所以我们常说;调用 shutdown 是优雅的关闭。

但是注意;shutdown 函数也可以指定「只关闭读取方向;而不关闭发送方向」;但是这时候内核是不会发送 FIN 报文的;因为发送 FIN 报文是意味着我方将不再发送任何数据;而 shutdown 如果指定「不关闭发送方向」;就意味着 socket 还有发送数据的能力;所以内核就不会发送 FIN。

什么情况会出现三次挥手?

当被动关闭方;上图的服务端;在 TCP 挥手过程中;「没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」;那么第二和第三次挥手就会合并传输;这样就出现了三次挥手。

然后因为 TCP 延迟确认机制是默认开启的;所以导致我们抓包时;看见三次挥手的次数比四次挥手还多。

什么是 TCP 延迟确认机制?

当发送没有携带数据的 ACK;它的网络效率也是很低的;因为它也有 40 个字节的 IP 头 和 TCP 头;但却没有携带数据报文。为了解决 ACK 传输效率低问题;所以就衍生出了 TCP 延迟确认。TCP 延迟确认的策略;

延迟等待的时间是在 Linux 内核中定义的;如下图; 

 关键就需要 HZ 这个数值大小;HZ 是跟系统的时钟频率有关;每个操作系统都不一样;在我的 Linux 系统中 HZ 大小是 1000;如下图;

知道了 HZ 的大小;那么就可以算出;

怎么关闭 TCP 延迟确认机制?

如果要关闭 TCP 延迟确认机制;可以在 Socket 设置里启用 TCP_QUICKACK;启用 TCP_QUICKACK;就相当于关闭 TCP 延迟确认机制。

// 1 表示开启 TCP_QUICKACK;即关闭 TCP 延迟确认机制
int value = 1;
setsockopt(socketfd, IPPROTO_TCP, TCP_QUICKACK, (char*)& value, sizeof(int));

实验验证

实验一

接下来;来给大家做个实验;验证这个结论;

当被动关闭方;上图的服务端;在 TCP 挥手过程中;「 没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」;那么第二和第三次挥手就会合并传输;这样就出现了三次挥手。

服务端的代码如下;做的事情很简单;就读取数据;然后当 read 返回 0 的时候;就马上调用 close 关闭连接。因为 TCP 延迟确认机制是默认开启的;所以不需要特殊设置。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/tcp.h>

#define MAXLINE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{

    // 1. 创建一个监听 socket
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(listenfd < 0)
    {
        fprintf(stderr, ;socket error : %s
;, strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 2. 初始化服务器地址和端口
    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(8888);

    // 3. 绑定地址;端口
    if(bind(listenfd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(struct sockaddr)) < 0)
    {
        fprintf(stderr,;bind error:%s
;, strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf(;begin listen....
;);

    // 4. 开始监听
    if(listen(listenfd, 128))
    {
        fprintf(stderr, ;listen error:%s
a;, strerror(errno));
        exit(1);
    }


    // 5. 获取已连接的socket
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_addrlen = sizeof(client_addr);
    int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen);
    if(clientfd < 0) {
        fprintf(stderr, ;accept error:%s
a;, strerror(errno));
        exit(1);
    }

    printf(;accept success
;);

    char message[MAXLINE] = {0};
    
    while(1) {
        //6. 读取客户端发送的数据
        int n = read(clientfd, message, MAXLINE);
        if(n < 0) { // 读取错误
            fprintf(stderr, ;read error:%s
a;, strerror(errno));
            break;
        } else if(n == 0) {  // 返回 0 ;代表读到 FIN 报文
            fprintf(stderr, ;client closed 
;);
            close(clientfd); // 没有数据要发送;立马关闭连接
            break;
        }

        message[n] = 0; 
        printf(;received %d bytes: %s
;, n, message);
    }
 
    close(listenfd);
    return 0;
}

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>

int main(int argc, char *argv[])
{

    // 1. 创建一个监听 socket
    int connectfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(connectfd < 0)
    {
        fprintf(stderr, ;socket error : %s
;, strerror(errno));
        return -1;
    }

    // 2. 初始化服务器地址和端口
    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(;127.0.0.1;);
    server_addr.sin_port = htons(8888);
    
    // 3. 连接服务器
    if(connect(connectfd, (struct sockaddr *)(&server_addr), sizeof(server_addr)) < 0)
    {
        fprintf(stderr,;connect error:%s
;, strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf(;connect success
;);


    char sendline[64] = ;hello, i am xiaolin;;

    //4. 发送数据
    int ret = send(connectfd, sendline, strlen(sendline), 0);
    if(ret != strlen(sendline)) {
        fprintf(stderr,;send data error:%s
;, strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf(;already send %d bytes
;, ret);

    sleep(1);

    //5. 关闭连接
    close(connectfd);
    return 0;
}

tcpdump -i lo tcp and port 8888 -s0 -w /home/tcp_close.pcap