TIME_WAIT 发生的场景

TCP的四次挥手

TCP连接终止时，主机 1 先发送 FIN 报文，主机 2 进入 CLOSE_WAIT 状态，并发送一个 ACK 应答，同时，主机 2 通过 read 调用获得 EOF，并将此结果通知应用程序进行主动关闭操作，发送 FIN 报文。主机 1 在接收到 FIN 报文后发送 ACK 应答，此时主机 1 进入 TIME_WAIT 状态。

并且主机1在TIME_WAIT状态停留的时间是固定的，为2MSL（即2倍的报文最大生存时间）。在Linux系统中，有一个硬编码的字段，TCP_TIMEWAIT_LEN，其值为60秒，所以Linux 系统停留在 TIME_WAIT 的时间为固定的 60 秒。

 /* how long to wait to destroy TIME-WAIT state, about 60 seconds  */
 #define TCP_TIMEWAIT_LEN (60*HZ)
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注意：只有发起连接的一方会进入TIME_WAIT状态。

TIME_WAIT状态的作用

通过TIME_WAIT可以确保最后的ACK能让被动关闭方接收，从而帮助其正常关闭。

两个理由：

如果主机1没有TIME_WAIT状态，而是直接进入CLOSED状态，此时相当于主机1已经断开连接，那么它会失去当前状态的上下文，此时如果主机1的ACK没有传输成功的话，主机2会重新传输一个FIN报文，但是由于主机1已经失去了之前状态的上下文，所以只能回复一个RST，从而导致被动关闭方出现错误。通过TIME_WAIT状态，主机1就可以在收到FIN报文后，重新传输一个ACK报文，直到连接正确关闭为止。
为了让旧连接的所有报文都能自然消亡。

在网络中，报文经常要过一段时间才能到达目的地，路由器重启、链路故障都可能导致这种情况的出现，当这些报文到达时，如果TCP连接的四元组（源IP，源端口，目的IP，目的端口）所代表的连接不存在，那么直接丢弃该报文即可。

但是，如果原连接中断后，又重新创建了一个原连接的“化身”，（化身即指新连接的四元组和原来连接的四元组完全相同），并且，之前旧连接的报文经过了一段时间也到达了目的地，那么这个报文会被误认为是连接“化身”的一个 TCP 分节，这样就会对 TCP 通信产生影响。

不过，在经过TIME_WAIT状态，即等待了2MSL时间后，足以让原来连接的报文都在网络中自然消失，那么之后的报文一定都是新连接所产生的了。

注意：2MSL时间是在主机1收到FIN，并发送ACK后开始计时的，如果ACK没有送到主机2，主机1收到了重传的FIN后，会重新开始计时2MSL，这是因为主机1重新发送了ACK报文，所以应当按照ACK报文发送的时间开始重新计时，防止该ACK报文对连接“化身”造成干扰。

TIME_WAIT的危害

对内存资源的占用。
对端口资源的占用（主要）。由于一个TCP连接至少需要消耗一个本地端口，由于端口资源有限，如果TIME_WAIT状态过多（高并发），会导致端口都被占用完毕，从而无法创建新连接。

在高并发的情况下优化TIME_WAIT

net.ipv4.tcp_max_tw_buckets(暴力，不推荐)
通过sysctl命令（该命令用于运行时配置内核参数），将系统值调小。该值默认为18000，当系统中处于 TIME_WAIT 的连接一旦超过这个值时，系统就会将所有的 TIME_WAIT 连接状态重置，并且只打印出警告信息。但是这种方法带来的问题远比解决的问题多。
降低TCP_TIMEWAIT_LEN
降低TCP_TIMEWAIT_LEN，然后重新编译内核。
设置SO_LINGER
可以通过设置socket选项，来设置调用close或者shutdown关闭连接时的行为。

setsockopt() 函数
```
 int setsockopt(int s, int level, int optname, const void * optval, ,socklen_t optlen);
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```
该函数用来设置参数 s 所指定的 socket 的状态，参数 level 表示需要设置的网络层，一般设置成 SOL_SOCKET 以存取socket层，参数 optname 表示想要设置的选项，参数 optval 表示想要设置的值，参数 optlen 表示 optval 的长度。

返回值：成功时返回0，失败返回-1.
```
 struct linger {
 　int　 l_onoff;　　　　/* 0 = off, nonzero = on */
 　int　 l_linger;　　　　/* linger time, POSIX specifies units as seconds */
 }

 struct linger so_linger;
 so_linger.l_onoff = 1;
 so_linger.l_linger = 0;
 setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger, sizeof(so_linger));
复制代码
```
设置结构体linger的参数有几种情况：
- l_onoff = 0，表示本选项关闭，l_linger的值也被忽略。此时代表默认行为，close或shutdown会立即返回，如果在socket发送缓冲区中有数据残留，系统会将试着把这些数据发送出去。
- l_onoff != 0，并且 l_linger = 0，此时调用close后，会立刻发送一个 RST 标志给对端，此时TCP连接将跳过四次挥手阶段，也就跳过了TIME_WAIT状态，直接关闭。这种关闭代表”强行关闭“，在这种情况下，发送缓冲区中的排队数据不会再发送，被动关闭方也不知道对端已经彻底断开。只有当被动关闭方正阻塞在recv()调用上，此时接收到RST时，会立刻得到一个“connet reset by peer”的异常。
- l_onoff != 0， l_linger != 0，此时调用close后，调用close的线程将被阻塞，直到缓冲区的数据被发送出去，或者设置的 l_linger 计时时间到为止。
上面第二种情况中，虽然可以跳过TIME_WAIT状态，但是十分危险，不推荐。
设置 net.ipv4.tcp_tw_reuse （安全）
通过该选项，允许复用处于TIME_WAIT的socket为新的连接所用。但是必须满足两点要求：1. 只适用于连接发起方（C/S 模型中的客户端）。2. 对应的 TIME_WAIT 状态的连接创建时间超过 1 秒才可以被复用。

使用这个选项时，还有一个前提，即需要打开对TCP时间戳的支持，即net.ipv4.tcp_timestamps=1（默认即为 1）。

TCP的时间戳选项timestamp

时间戳选项占10个字节，其中包含timestamp 和 timestamp echo两个值，各4个字节。

发送方在发送报文段时把当前时钟的时间值放入timestamp字段，接收方在对该报文发送确认报文段时，会把timestamp字段复制到timestamp echo 字段，因此发送方，在收到确认报文后，可以准确计算出RTT。

实例：

假设a主机和b主机之间通信，a主机向b主机发送一个报文段s1，那么在s1报文中timestamp存储的是a主机发送s1时的内核时刻ta1，b主机收到s1报文并向a主机发送含有确认ack的报文s2，在s2报文中，timestamp为b主机此时的内核时刻tb，而timestamp echo字段为从s1报文中解析出的ta1，当a主机接收到b主机发送过来的确认ack报文s2时，a主机此时内核时刻为ta2，a主机从s2报文的timestamp echo选项中可以解析出该确认ack所确认的报文的发送时刻为ta1，RTT＝ta2 －ta1。ta2和ta1都来自a主机的内核，所以不需要在tcp连接的两端进行任何时钟同步的操作。

TCP时间戳选项的功能

除了计算往返时延RTT这一功能外，时间戳选项还可以防止回绕的序号。

由于TCP报文的序列号只有32位，而每增加2^32个序列号后就会重复使用原来用过的序列号，假设我们有一条高速网络，通信的主机双方有足够大的带宽涌来快速的传输数据。例如1Gb/s的速率发送报文，则不到35秒报文的序号就会重复。这样就会造成TCP传输混乱的情况，通过采用时间戳选项，可以很容易的分辨出相同序列号的数据报，哪个是最近发送，哪个是以前发送的。

网络编程学习7--TIME_WAIT