一、TCP状态转换图概述

TCP协议是目前互联网上使用最广泛的协议之一，它建立在IP协议之上，为应用程序提供可靠的传输服务。而TCP协议的核心就是它的状态机，对连接的建立、维护和关闭都有非常重要的作用。TCP状态转换图描述了TCP协议在数据传输过程中，可能出现的所有状态转换情况，是我们理解TCP协议的关键。

二、TCP状态转换图格式

TCP的状态转换图一般采用“Mealy状态机”来描述，其中状态是图形化表示（用圆圈表示），转移条件是用线条表示的，如下图所示：

       +---------+      timeout       +---------+
       |  CLOSED |----------------->|  CLOSED |    PASSIVE
       +---------+                   +---------+
            ^                             |    
            |             listen          |    
            |                             |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       |   LISTEN|                   |   SYNRCVD |
       +---------+                   +---------+
            ^                             |    
            |            SYN/ACK          |    
            |       rcv SYN           |    
            |                  snd ACK,SYN |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | ESTAB   |------------------->| ESTAB   |
       +---------+    connection           +---------+
            |             setup             |    
            |              close            |    
            |             FIN           |    
            |         snd FIN         |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | FINWAIT1|                   | CLOSWAIT |
       +---------+                   +---------+
            |              FIN           |    
            |         rcv ACK of FIN  |    
            |                             |    
            |                             v    
       +---------+                   +---------+
       | FINWAIT2|                   | LAST    |
       +---------+                   +---------+
            |   rcv FIN                |    
            |           |    
            |           |   timeout     |    
            |           v           |    
       +---------+     +---------+
       | TIMEWAIT|     |CLOSED |
       +---------+     +---------+

其中每个状态所表示的含义如下：

CLOSED：表示TCP连接处于关闭状态，没有任何连接的存在。
LISTEN：表示TCP正在监听相关端口，以便接收客户端发起的连接请求。
SYNRCVD：表示TCP收到了一个连接请求，并在发送相应的SYN和ACK报文。
ESTAB：表示TCP连接已经建立，可以进行数据的传输。
FINWAIT1：表示TCP连接在发送了FIN后等待对方的ACK。
CLOSEWAIT：表示TCP连接在接收到对方的FIN后，发送自己的ACK，并等待对方关闭连接。
FINWAIT2：表示TCP连接在接收到对方的FIN后，等待对方的ACK。
LAST：表示TCP连接在发送FIN后，进入等待对方的ACK状态。
TIMEWAIT：表示TCP连接在发送ACK后，等待2MSL时间后进入关闭状态。

三、TCP状态转换图状态转移解析

1. TCP连接的建立

当一个TCP客户端想建立与服务器的连接时，它需要发送一个SYN报文段，并等待服务器的ACK报文段，如果服务器接受连接，就会发送一个SYN和ACK报文段。此时，客户端将进入ESTABLISHED状态。如果服务器不接受连接，它将发送一个RST报文段，客户端将进入CLOSED状态。下图为TCP连接建立的状态转换图:

              +---------+   SYN/ACK   +---------+ 
              |   CLOSED|<-----------|   SYNRCVD|
              +---------+            +---------+
                   |  SYN    |             ^
                   |------------------------|
                   |             |   ACK    |
                   V             V          |
              +---------+   ESTABLISHED +---------+ 
              | ESTABLISHED |------------| ESTABLISHED | 
              +---------+            +---------+

相应的代码实例：

// TCP客户端
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.1");
servaddr.sin_port = htons(8080);
connect(sockfd, (const struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));

// TCP服务器
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in servaddr;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8080);
bind(listenfd, (const struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 10);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);

2. TCP连接的中断

当TCP连接需要关闭时，必须执行一些操作以确保流量的正确传输，这些操作包括FIN、ACK和RST报文的交换。其中，FIN报文用于通知对端连接需要关闭，ACK报文用于确认FIN报文已经收到，并告知对端自己还需要发送多少数据，RST报文用于强制关闭连接。下图为TCP连接关闭过程的状态转换图：

                 +---------+  FIN/ACK   +---------+
                 | ESTABLISHED |--------->| FIN_WAIT_1|
                 +---------+            +---------+
                       |    FIN     |         ^
                       |--------------         |
                       |             ACK    |
                       V                         |
                 +---------+         +---------+
                 | FIN_WAIT_2 |------->|   TIME_WAIT   |
                 +---------+         +---------+
                       |   FIN/ACK  |         ^
                       |----------           |
                       |                   ACK    |
                       V                   |
                 +---------+         +---------+
                 |     CLOSED|<-------|   LAST_ACK  |
                 +---------+         +---------+

相应的代码实例：

// TCP连接关闭
shutdown(sockfd, SHUT_WR);

四、TCP状态转换图常见问题

1. 为什么TCP连接需要经过三次握手过程建立连接？

TCP连接的建立需要经过三次握手过程，这是因为在TCP协议中，连接的双方必须要确定对方的接收能力和发送能力才能正确地发送数据。因此，第一次握手用于客户端发送SYN报文，第二次握手用于服务器响应SYN报文，并发送自己的SYN报文和ACK报文，第三次握手用于客户端响应服务器的ACK报文。

2. TCP连接的中断为什么需要四次挥手？

TCP连接的中断需要经过四次挥手过程，这是因为在TCP连接关闭过程中，需要让双方都有足够的时间去重传可能会丢失的传输层数据。因此，第一次挥手用于由一端关闭连接，发送FIN报文，第二次挥手用于对方响应FIN报文，并ACK确认收到，第三次挥手用于对方发送自己的FIN报文，第四次挥手用于本地响应FIN报文并ACK。

五、总结

TCP状态转换图是我们理解TCP协议的关键，它描述了TCP协议在数据传输过程中可能出现的所有状态转换情况。在实际的TCP应用中，需要根据状态转换图来合理地进行TCP连接的建立和中断，以确保流量的正确传输。

TCP状态转换图详解