12-TCP 协议（TIME_WAIT 状态）

如果你仔细研究了 TCP 四次挥手，你会发现主动关闭一方最后的状态是 TIME_WAIT，这个 TIME_WAIT 状态是什么意思呢？

图1 仔细观察主动关闭一方最后的状态

1. TIME_WAIT 状态

TIME_WAIT 状态，又称为 2MSL 等待状态。只有主动关闭一方才能进入 TIME_WAIT 状态。

MSL（Maximum Segment Lifetime）表示报文段最大生存时间，它表示任何报文段被丢弃前在网络内的最长时间，实际上这个时间和 TTL 有关（TTL 是 IP 协议中的一个概念，表示能够经历的路由器的跳数，这个跳数是有限制的，最大值为 255）。

然而，MSL 却不用跳数，而是时间。不同系统中，MSL 定义的大小不一样，RFC 规定，MSL = 2 分钟，而实际实现中，通常是 30 秒、1 分钟。尽管 MSL 的单位是时间而不是跳数，我们仍然假设：具有最大跳数（255）的报文在网络中存在的时间不可能超过 MSL 秒。

当 TCP 协议进入 TIME_WAIT 状态时，必须要在这个状态停留 2 倍 MSL 的时间。

• 等待 2MSL 的第一个原因

可以防止连接终止的最后一个 ACK 丢失。假设最后一个 ACK 在到达对端时恰好消失，此时对端已经等待了一个 RTT（报文段往返时间），于是进行重传最后一个 FIN，经过 0.5RTT 后到达对端。

图2 为什么要 2MSL 时间

• 等待 2MSL 的第二个原因

假设在 ip1:port1 和 ip2:port2 建立了一个连接 A，发送完数据后关闭连接 A。如果没有 TIME_WAIT 状态，我们又立即在 ip1:port1 和 ip2:port2 建立了一个连接 B（虽然这种事情概率很小，但是仍然存在）。

很不幸的是，连接 A 它有一个重复的 TCP 段被连接 B 收到了，然而连接 B 并不知道这个 TCP 段是连接 A 中的旧报文，这会造成错误！

如果有了 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL，就足以让连接 A 中重复的报文在网络中消逝；另一方面，TCP 协议规定，处于 TIME_WAIT 状态的端口，是无法建立新的连接的。这样就保证了每成功建立一个新连接时，旧连接中的重复 TCP 段都已消逝。

2. TIME_WAIT 状态的影响

如果 TCP 处于 TIME_WAIT 状态，会进行 2MSL 时间的等待，在这个时间内，定义此连接的本地端口不能再次使用。比如有一个连接：

(local 192.168.80.130:5050, foreign 192.168.166.107:40891) state: TIME_WAIT

那么对于 192.168.80.130 这个主机来说，在 2MSL 时间内，5050 端口都不能再次被使用。

一般来说，主动关闭一方都是客户端，客户端建立连接时的端口号都是由系统自动分配的，这并没什么影响，这个端口被占用了，那就再分配一个其它端口就是了。

但是对于服务器来说，它使用的端口是熟知端口（公开出去的端口），如果它是主动关闭一方，进入了 TIME_WAIT 状态，那么 2MSL 时间内，这个服务器都无法启动。如果再次启动，会提示 Address already in use 的错误。

我们用实验来模拟服务器发起主动关闭。

3. 实验

3.1 实验步骤

• 在 linux 上启动 serv 程序

该程序路径是 unp/protocol/tools/tcpserver/serv.c，需要你自己编译一下。

$ ./serv 192.168.80.130 6666

• 在 win7 上启动 tcp_client.exe

该程序路径是 unp/protocol/tools/winclient/tcp_client.cpp，需要你自己用 VS 编译。

tcp_client.exe 192.168.80.130 6666

• 使用 ctrl c 快捷键把 linux 上的 serv 程序终止

此时在 linux 上执行 netstat -ant 命令，可以看到我们的连接处于 FIN_WAIT2 状态。

• 在 win7 上的 tcp_client 中输入 q 退出，关闭连接。

• 在 linux 上再次执行 netstat -ant

如果此时，我们再次启动服务器，就会出错：

3.2 结果分析

反过来，如果客户端也想申请一个处于 2MSL 的本地端口，一样会出问题。但是一般来说客户端使用的本地端口并不是自己指定的，而是系统自动分派的，所以没什么问题。

但是对于服务器来说，如果它的熟知口处于 TIME_WAIT 状态，它将无法再次启动。实际上，现在的 Linux 提供了一种方法，它可能通过给 socket 指定选项 SO_REUSEADDR 允许端口重用。

需要注意的是，即使服务器或客户端绑定了处于 2MSL 的端口，RFC 规定它们也不能建立连接。可惜的是，大多系统实现并未遵守这个规定：

• 如果服务器重用了处于 2MSL 端口，它仍然可以接收连接请求并连接成功（这违反了协议）
• 如果客户端重用了处于 2MSL 端口，它建立连接时仍然会失败。（没有违反协议）

4. 总结

• 理解 TIME_WAIT 状态
• 掌握 2MSL 的含义
• 理解为什么在 TIME_WAIT 状态要等待 2MSL（两个原因）