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4.22 TCP 四次挥手，可以变成三次吗？

4.22 TCP 四次挥手，可以变成三次吗？

有位读者面美团时，被问到：TCP 四次挥手中，能不能把第二次的 ACK 报文，放到第三次 FIN 报文一起发送？

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。

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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：

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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？

TCP 四次挥手

TCP 四次挥手的过程如下：

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具体过程：

  • 客户端主动调用关闭连接的函数，于是就会发送 FIN 报文，这个 FIN 报文代表客户端不会再发送数据了，进入 FIN_WAIT_1 状态；
  • 服务端收到了 FIN 报文，然后马上回复一个 ACK 确认报文，此时服务端进入 CLOSE_WAIT 状态。在收到 FIN 报文的时候，TCP 协议栈会为 FIN 包插入一个文件结束符 EOF 到接收缓冲区中，服务端应用程序可以通过 read 调用来感知这个 FIN 包，这个 EOF 会被放在已排队等候的其他已接收的数据之后，所以必须要得继续 read 接收缓冲区已接收的数据；
  • 接着，当服务端在 read 数据的时候，最后自然就会读到 EOF，接着 read() 就会返回 0，这时服务端应用程序如果有数据要发送的话，就发完数据后才调用关闭连接的函数，如果服务端应用程序没有数据要发送的话，可以直接调用关闭连接的函数，这时服务端就会发一个 FIN 包，这个 FIN 报文代表服务端不会再发送数据了，之后处于 LAST_ACK 状态；
  • 客户端接收到服务端的 FIN 包，并发送 ACK 确认包给服务端，此时客户端将进入 TIME_WAIT 状态；
  • 服务端收到 ACK 确认包后，就进入了最后的 CLOSE 状态；
  • 客户端经过 2MSL 时间之后，也进入 CLOSE 状态；

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：

  • 如果服务端应用程序有数据要发送的话，就发完数据后，才调用关闭连接的函数；
  • 如果服务端应用程序没有数据要发送的话，可以直接调用关闭连接的函数，

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：

  • close 函数，同时 socket 关闭发送方向和读取方向，也就是 socket 不再有发送和接收数据的能力。如果有多进程/多线程共享同一个 socket，如果有一个进程调用了 close 关闭只是让 socket 引用计数 -1，并不会导致 socket 不可用，同时也不会发出 FIN 报文，其他进程还是可以正常读写该 socket，直到引用计数变为 0，才会发出 FIN 报文。
  • shutdown 函数，可以指定 socket 只关闭发送方向而不关闭读取方向，也就是 socket 不再有发送数据的能力，但是还是具有接收数据的能力。如果有多进程/多线程共享同一个 socket，shutdown 则不管引用计数，直接使得该 socket 不可用，然后发出 FIN 报文，如果有别的进程企图使用该 socket，将会受到影响。

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。

在这里插入图片描述
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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：

  • 如果是读操作，则会返回 RST 的报错，也就是我们常见的 Connection reset by peer。
  • 如果是写操作，那么程序会产生 SIGPIPE 信号，应用层代码可以捕获并处理信号，如果不处理，则默认情况下进程会终止，异常退出。

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。

优雅关闭.drawio.png
优雅关闭.drawio.png

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。

在这里插入图片描述
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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：

  • 当有响应数据要发送时，ACK 会随着响应数据一起立刻发送给对方
  • 当没有响应数据要发送时，ACK 将会延迟一段时间，以等待是否有响应数据可以一起发送
  • 如果在延迟等待发送 ACK 期间，对方的第二个数据报文又到达了，这时就会立刻发送 ACK

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：

  • 最大延迟确认时间是 200 ms（1000/5）
  • 最短延迟确认时间是 40 ms（1000/25）

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。

// 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\n", 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\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("begin listen....\n");

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

    printf("accept success\n");

    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\n\a", strerror(errno));
            break;
        } else if(n == 0) {  // 返回 0，代表读到 FIN 报文
            fprintf(stderr, "client closed \n");
            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", n, message);
    }
	
    close(listenfd);
    return 0;
}

客户端代码如下，做的事情也很简单，与服务端连接成功后，就发送数据给服务端，然后睡眠一秒后，就调用 close 关闭连接，所以客户端是主动关闭方：

#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\n", 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\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("connect success\n");


    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\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    printf("already send %d bytes\n", ret);

    sleep(1);

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

编译服务端和客户端的代码：

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先启用服务端：

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然后用 tcpdump 工具开始抓包，命令如下：

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

然后启用客户端，可以看到，与服务端连接成功后，发完数据就退出了。

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此时，服务端的输出：

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接下来，我们来看看抓包的结果。

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可以看到，TCP 挥手次数是 3 次。

所以，下面这个结论是没问题的。

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（默认会开启）」，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。

实验二

我们再做一次实验，来看看关闭 TCP 延迟确认机制，会出现四次挥手吗？

客户端代码保持不变，服务端代码需要增加一点东西。

在上面服务端代码中，增加了打开了 TCP_QUICKACK（快速应答）机制的代码，如下：

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编译好服务端代码后，就开始运行服务端和客户端的代码，同时用 tcpdump 进行抓包。

抓包的结果如下，可以看到是四次挥手。
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所以，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」，同时「关闭了 TCP 延迟确认机制」，那么就会是四次挥手。

设置 TCP_QUICKACK 的代码，为什么要放在 read 返回 0 之后？

我也是多次实验才发现，在 bind 之前设置 TCP_QUICKACK 是不生效的，只有在 read 返回 0 的时候，设置 TCP_QUICKACK 才会出现四次挥手。

网上查了下资料说，设置 TCP_QUICKACK 并不是永久的，所以每次读取数据的时候，如果想要立刻回 ACK，那就得在每次读取数据之后，重新设置 TCP_QUICKACK。

而我这里的实验，目的是为了当收到客户端的 FIN 报文（第一次挥手）后，立马回 ACK 报文。所以就在 read 返回 0 的时候，设置 TCP_QUICKACK。当然，实际应用中，没人会在这个位置设置 TCP_QUICKACK，因为操作系统都通过 TCP 延迟确认机制帮我们把四次挥手优化成了三次挥手了。

总结

当被动关闭方在 TCP 挥手过程中，如果「没有数据要发送」，同时「没有开启 TCP_QUICKACK（默认情况就是没有开启，没有开启 TCP_QUICKACK，等于就是在使用 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。

所以，出现三次挥手现象，是因为 TCP 延迟确认机制导致的。

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