很多資料講了關于TCP的CLOSING和CLOSE_WAIT狀態(tài)以及所謂的優(yōu)雅關閉的細節(jié)，多數(shù)側重與Linux的內核實現(xiàn)(除了《UNIX網絡編程》)。本文不注重代碼細節(jié)，只關注邏輯。所使用的工具，tcpdump，packetdrill以及ss。

關于ss可以先多說幾句，它展示的信息跟netstat差不多，只不過更加詳細。netstat的信息是通過procfs獲取的，本質上來講就是遍歷/proc/net/netstat文件的內容，然后將其組織成可讀的形式展示出來，然而ss則可以針對特定的五元組信息提供更加詳細的內容，它不再通過procfs，而是用過Netlink來提取特定socket的信息，對于TCP而言，它可以提取到甚至tcp_info這種詳細的信息，它包括cwnd，ssthresh，rtt，rto等。

本文展示的邏輯使用了以下三樣工具：

1).packetdrill

使用packetdrill構造出一系列的包序列，使得TCP進入CLOSING狀態(tài)或者CLOSE_WAIT狀態(tài)。

2).tcpdump/tshark

抓取packetdrill注入的數(shù)據包以及協(xié)議棧反饋的包，以確認數(shù)據包序列確實如TCP標準所述的那樣。

3).ss/netstat

通過ss抓取packetdrill相關套接字的tcp_info，再次確認細節(jié)。

我想，我使用上述的三件套解析了CLOSING狀態(tài)之后，接下來的CLOSE_WAIT狀態(tài)就可以當作練習了。

我來一個一個說。

1.關于CLOSING狀態(tài)

首先我來描述一下而不是細說概念。

什么是CLOSING狀態(tài)呢？我們來看一下下面的局部狀態(tài)圖：

也就是說，當兩端都主動發(fā)送FIN的時候，并且在收到對方對自己發(fā)送的FIN之前收到了對方發(fā)送的FIN的時候，兩邊就都進入了CLOSING狀態(tài)，這個在狀態(tài)圖上顯示的很清楚。這個用俗話說就是”同時關閉“。時序圖我就不給出了，請自行搜索或者自己畫。

有很多人都說，這種狀態(tài)的TCP連接在系統(tǒng)中存在了好長時間并百思不得其解。這到底是為什么呢？通過狀態(tài)圖和時序圖，我們知道，在進入CLOSING狀態(tài)后，只要收到了對方對自己的FIN的ACK，就可以雙雙進入TIME_WAIT狀態(tài)，因此，如果RTT處在一個可接受的范圍內，發(fā)出的FIN會很快被ACK從而進入到TIME_WAIT狀態(tài)，CLOSING狀態(tài)應該持續(xù)的時間特別短。

以下是packetdrill腳本，很簡單的一個腳本：

0.000 socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
0.000 setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
0.000 bind(3, ..., ...) = 0
0.000 listen(3, 1) = 0

0.100 < S 0:0(0) win 32792 < mss 1460,sackOK,nop,nop,nop,wscale 7 >
0.100 > S. 0:0(0) ack 1 win 5840 < mss 1460,nop,nop,sackOK,nop,wscale 7 >
0.200 < . 1:1(0) ack 1 win 257
0.200 accept(3, ..., ...) = 4

// 象征性寫入一些數(shù)據，裝的像一點一個正常的TCP連接：握手-傳輸-揮手
0.250 write(4, ..., 1000) = 1000

0.300 < . 1:1(0) ack 1001 win 257

// 主動斷開，發(fā)送FIN
0.400 close(4) = 0
// 在未對上述close的FIN進行ACK前，先FIN
0.500 < F. 1:1(0) ack 1001 win 260
// 至此，成功進入同時關閉的CLOSING狀態(tài)。

// 由于packetdrill不能用dup調用，也好用多線程，為了維持進程不退出，只能等待
10000.000 close(4) = 0

同時，我啟用tcpdump抓包，確認了TCP狀態(tài)圖的細節(jié)，即，還沒有收到對方對FIN的ACK時，收到了對方的FIN：

有個異常，沒有收到FIN的ACK(packetdrill沒有回復，這正常，因為腳本里本來就沒有這個語句)，然而也沒有看到重傳，此時該連接應該是處于CLOSING狀態(tài)了，用ss來確認：

CLOSING 1 1 192.168.0.1:webcache 192.0.2.1:54442

cubic wscale:7,7 rto:2000 rtt:50/25 ssthresh:2 send 467.2Kbps rcv_space:5840

果然，進入了CLOSING狀態(tài)且沒有消失，時不我待，當過了2秒以后，ss的結果變成了：

CLOSING 1 1 192.168.0.1:webcache 192.0.2.1:54442

cubic wscale:7,7 rto:4000 rtt:50/25 ssthresh:2 send 467.2Kbps rcv_space:5840

明顯在退避！如果繼續(xù)觀察，你會發(fā)現(xiàn)rto退避到了64秒之多。在我的場景中，CLOSING狀態(tài)的套接字維持了兩分鐘之久。

然而，為什么呢？為什么CLOSING狀態(tài)會維持這么久？為什么它沒有繼續(xù)維持下去直到永久呢？

很明顯，一端的FIN發(fā)出去后，沒有收到ACK，因此會退避重發(fā)，知道4次退避，即22222*2秒之久?，F(xiàn)在的問題是，為什么重發(fā)FIN始終不成功呢？要是成功了的話，估計ACK瞬間也就回來了，那么CLOSING狀態(tài)也就可以進入TIME_WAIT了，但是沒有成功重傳FIN！

到此為止，我們知道，進入CLOSING狀態(tài)之后，兩邊都會等待接收自己FIN的ACK，一旦收到ACK，就會進入TIME_WAIT，如此反復，如果收不到ACK，則會不斷重傳FIN，直到忍無可忍，將socket銷毀?，F(xiàn)在，我們集中于解釋為什么重傳沒有成功，但是請記住，并不是每次都這樣，只是在我這個packetdrill構造的場景中會有重傳不成功，不然如果大概率不成功的話。豈不是每個CLOSING狀態(tài)都要維持很長時間？？??！

在我的場景下，通過hook重傳函數(shù)以及抓包確認，發(fā)現(xiàn)所有的重傳雖然退避了，但是都沒有真正將數(shù)據包發(fā)送出去，究其原因，最終確認問題出在以下代碼上：

if (atomic_read(&sk- >sk_wmem_alloc) >
    min(sk- >sk_wmem_queued + (sk- >sk_wmem_queued > > 2), sk- >sk_sndbuf))
    return -EAGAIN;

在Linux協(xié)議棧的實現(xiàn)中，tcp_retransmit_skb由tcp_retransmit_timer調用，即便是這里出了些問題沒有重傳成功，也還是會退避的，退避超時到期后，繼續(xù)在這里出錯，直到”不可容忍“銷毀socket。

我們可以得知，不管如何CLOSING狀態(tài)的TCP連接即便沒有收到對自己FIN的ACK，也不會永久保持下去，保持多久取決于自己發(fā)送FIN時刻的RTT，然后RTT計算出的RTO按照最大的退避次數(shù)來退避，直到最終執(zhí)行了固定次數(shù)的退避后，算出來的那個比較大的超時時間到期，然后TCP socket就銷毀了。

因此，CLOSING狀態(tài)并不可怕，起碼，不管怎樣，它有一個可控的銷毀時限。

...

現(xiàn)在我來解釋重傳不成功的細節(jié)。

我們知道，根據上述的代碼段，sk_wmem_alloc要足夠大，大到它比sk_wmem_queued+sk_wmem_queued/4更大的時候，才會返回錯誤造成重傳不成功，然而我們的packetdrill腳本中構造的TCP連接的生命周期中僅僅傳輸了1000個字節(jié)的數(shù)據，并且這1000個字節(jié)的數(shù)據得到了ACK，然后就結束了連接。一個socket保有一個sk_wmem_alloc字段，在skb交給這個socket的時候，該字段會增加skb長度的大小(skb本身大小包括skb數(shù)據大小)，然而當skb不再由該socket持有的時候，也就是其被更底層的邏輯接管之后，socket的sk_wmem_alloc字段自然會減去skb長度的大小，這一切的過程由以下的函數(shù)決定，即skb_set_owner_w和skb_orphan。我們來看一下這兩個函數(shù)：

static inline void skb_set_owner_w(struct sk_buff *skb, struct sock *sk)
{
    skb_orphan(skb);
    skb- >sk = sk;
    // sock_wfree回調中會遞減sk_wmem_alloc相應的大小，其大小就是skb- >truesize
    skb- >destructor = sock_wfree;
    /*
     * We used to take a refcount on sk, but following operation
     * is enough to guarantee sk_free() wont free this sock until
     * all in-flight packets are completed
     */
    atomic_add(skb- >truesize, &sk- >sk_wmem_alloc);
}
static inline void skb_orphan(struct sk_buff *skb)
{
    // 調用回調函數(shù)，遞減sk_wmem_alloc
    if (skb- >destructor)
        skb- >destructor(skb);
    skb- >destructor = NULL;
    skb- >sk        = NULL;
}

也就是說，只要skb_orphan在skb通向網卡的路徑上被正確調用，就會保證sk_wmem_alloc的值隨著skb進入socket的管轄時而增加，而被實際發(fā)出后而減少。但是根據我的場景，事實好像不是這樣，sk_wmem_alloc的值只要發(fā)送一個skb就會增加，絲毫沒有減少的跡象...這是為什么呢？

有的時候，當你對某個邏輯理解足夠深入后，一定要相信自己的判斷，內核存在BUG！內核并不完美。我使用的是2.6.32老內核，這個內核我已經使用了6年多，這是我在這個內核上發(fā)現(xiàn)的第4個BUG了。

請注意，我的這個場景中，我使用了packetdrill來構造數(shù)據包，而packetdrill使用了tun網卡。為什么使用真實網卡甚至使用loopback網卡就不會有問題呢？這進一步引導我去調查tun的代碼，果不其然，在其hard_xmit回調中沒有調用skb_orphan！也就說說，但凡使用2.6.32內核版本tun驅動的，都會遇到這個問題呢。在tun的xmit中加入skb_orphan之后，問題消失，抓包你會發(fā)現(xiàn)大量的FIN重傳包，這些重傳隨著退避而間隔加大(注意，用ss命令比對一下rto字段的值和tcpdump抓取的實際值)：

(為了驗證這個，我修改了packetdrill腳本，中間增加了很多的數(shù)據傳輸，以便盡快重現(xiàn)sk_wmem_alloc在使用tun時不遞減的問題)于是，我聯(lián)系了前公司的同事，讓他們修改OpenVPN使用的tun驅動代碼，因為當時確實出現(xiàn)過關于TCP使用OpenVPN隧道的重傳問題，然而，得到的答復卻是，xmit函數(shù)中已經有skb_orphan了...然后我看了下代碼，發(fā)現(xiàn)，公司的代碼已經不存在問題了，因為我在前年搞tun多隊列的時候，已經移植了3.9.6的tun驅動，這個問題已經被修復。

自己曾經做的事情，已然不再憶起...

2.關于CLOSE_WAIT狀態(tài)

和CLOSING狀態(tài)不同，CLOSE_WAIT狀態(tài)可能會持續(xù)更久更久的時間，導致無用的socket無法釋放，這個時間可能與應用進程的生命周期一樣久！

我們先看一下CLOSE_WAIT的局部狀態(tài)圖。

然后我來構造一個packetdrill腳本：

0.000 socket(..., SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP) = 3
0.000 setsockopt(3, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
0.000 bind(3, ..., ...) = 0
0.000 listen(3, 1) = 0

0.100 < S 0:0(0) win 32792 < mss 1460,sackOK,nop,nop,nop,wscale 7 >
0.100 > S. 0:0(0) ack 1 win 14600 < mss 1460,nop,nop,sackOK,nop,wscale 7 >
0.200 < . 1:1(0) ack 1 win 257
0.200 accept(3, ..., ...) = 4
// 什么也不發(fā)了，直接斷開
0.350 < F. 1:1(0) ack 1 win 260
// 協(xié)議棧會對這個FIN進行ACK，然則應用程序不關閉連接的話...
//0.450 close(4) = 0
// 該連接就會變成CLOSE_WAIT，并且只要其socket引用計數(shù)不為0，就一直僵死在那里
2000.000 close(4) = 0

同樣的，我來展示抓包結果：

最后，和描述CLOSING狀態(tài)不同的是，隔了N個小時之后，我來看ss -ip的結果：

CLOSE-WAIT 1 0 192.168.0.1:webcache 192.0.2.1:53753 users:(("ppp",2399,8))

cubic wscale:7,7 rto:300 rtt:100/50 ato:40 cwnd:10 send 1.2Mbps rcv_space:14600

這個CLOSE_WAIT還在！這是為什么呢？

很遺憾，上述的packetdrill腳本并不能直觀地展示這個現(xiàn)象，還得靠我說一說。

CLOSE_WAIT是一端在收到FIN之后，發(fā)送自己的FIN之前所處的狀態(tài)，那么很顯然，如果一個進程/線程始終不發(fā)送FIN，那么在該連接所隸屬的socket的生命周期內，這個socket就會一直存在，我們知道，在UNIX/Linux/WinSock中，socket作為一個描述符出現(xiàn)，只要進程/線程繼續(xù)持有它，它就會一直存在，因此大多數(shù)情況下進程/線程的生命周期內，此TCP套接字就會始終處在CLOSE_WAIT狀態(tài)。進程/線程長時間持有不需要的socket描述符，更多的并不是有意的，而是在進行諸如fork/clone之類的系統(tǒng)調用后，dup了父親的文件描述符，然后在孩子那里又沒有及時關閉，另外的原因就是編程者對socket描述符的close接口以及shutdown接口不是很理解了。

現(xiàn)在，我們用一個問題來繼續(xù)我們的討論。

什么時候進程在超長的生命周期內不會如愿關閉TCP從而發(fā)送FIN呢？

我的答案比較直接：不能指望close會發(fā)送FIN！

相信很多人在想斷開一個TCP連接的時候，都會調用close吧。并且這種做法幾乎都是正確的，以至于很多人都把這作為一種標準的做法。但是這是不對的！Why？！在《UNIX網絡編程》中，曾經提到了所謂的”優(yōu)雅關閉TCP連接“，何謂優(yōu)雅？？！如果你充分理解close，shutdown，應該就會知道，CLOSE_WAIT出現(xiàn)，你應該可以給出一些解釋。

close調用

close的參數(shù)只是一個文件描述符號，它不理解這個文件真正的細節(jié)，它只是一個文件系統(tǒng)內范疇的一個調用，它只是關閉文件描述符，保證此進程不會在讀取它而已。如果你關閉了文件描述符4，即close(4)，你知道4代表的文件會作何反應嗎？？文件系統(tǒng)并不知道4號描述符代表的文件到底是什么，更不知道有多少進程共享這個底層的”實體“，所以一個進程層面上邏輯根本沒有權力去徹底關閉一個socket。如果你想了解close的細節(jié)，更應該去看看UNIX文件抽象或者文件系統(tǒng)的細節(jié)，而不是socket。請參見位于fs/open.c中的：

SYSCALL_DEFINE1(close, unsigned int, fd)
{
    ...
    fdt = files_fdtable(files);
    ...
    filp = fdt- >fd[fd];
    ...
    retval = filp_close(filp, files);
    ...
    return retval;
    ...
}
EXPORT_SYMBOL(sys_close);

在filp_close中會有fput調用：

void fput(struct file *file)
{
    if (atomic_long_dec_and_test(&file- >f_count))
        __fput(file);
}

看到那個引用計數(shù)了嗎？只有當這個文件的引用計數(shù)變成0的時候，才會調用底層的關閉邏輯，對于socket而言，如果仍然還有一個進程或者線程持有這個socket對應的文件系統(tǒng)的描述符，那么即便你調用了close，也不會進入了socket的close邏輯，它在文件系統(tǒng)層面就返回了！

shutdown調用

這個才是真正關閉一個TCP連接的調用！shutdown并沒有文件系統(tǒng)的語義，它專門針對內核層的TCP socket。因此，調用shutdown的邏輯，才是真正關閉了與之共享信道的tcp socket。

所謂的優(yōu)雅關閉，就是在調用close之前， 首先自己調用shutdown(RD or WD)。這樣的時序才是關閉TCP的必由之路！

如果你想優(yōu)雅關閉一個TCP連接，請先用shutdown，然后后面跟一個close。不過有點詭異的是，Linux的shutdown(SHUT_RD)貌似沒有任何效果，不過這無所謂了，本來對于讀不讀的，就不屬于TCP的范疇，只有SHUT_WR才會實際發(fā)送一個FIN給對方。