tcp連接一端在進行完三次握手以后進入ESTABLISHED狀態(tài)，如果連接的對端在某一時刻在網(wǎng)絡中消失，而本端沒有感知到，還是處于ESTABLISHED狀態(tài)，那么本端的連接就被稱為半打開連接(Half Open)。
連接的對端在網(wǎng)絡中消失的情況有好多：
例如對端主機突然斷電，tcp連接來不及發(fā)送任何信息就消失啦。
還有，連接路徑上的某個nat設備aging-time過期，并且nat port被重用，雖然tcp連接的兩端都還處于ESTABLISHED狀態(tài)，可實際上兩端的連接已經(jīng)無法正常通信，此時這兩端的連接都是半打開連接。(這種情況是我的猜測，還沒有得到實踐的檢驗。如果結論錯誤，就會修改掉！)
還有，listen socket的accept調用緩慢導致積壓隊列滿，client端連接會成為半打開連接。這種情況是本次討論的主題。
首先說下tcp的三次握手
server端的tcp連接在三次握手階段會經(jīng)歷SYN_RECV狀態(tài)到ESTABLISHED狀態(tài)的變遷，其中SYN_RECV狀態(tài)到連接存放于listen socket積壓隊列的半連接隊列中，當連接由SYN_RECV狀態(tài)變?yōu)镋STABLISHED狀態(tài)，連接會被從半連接隊列中移到已連接隊列中。系統(tǒng)調用accept的作用就是從listen socket的已連接隊列中取走一個連接，然后將該連接與進程綁定。
但是，如果listen socket的積壓隊列(半連接隊列與連接隊列)全部滿后，對于新來的client連接會如何處理呢。答案是，linux不同版本的實現(xiàn)不同。
當前的實驗環(huán)境：
zuchunlei@ubuntu14:~$ uname -a
Linux ubuntu14 4.4.0-31-generic #50~14.04.1-Ubuntu SMP Wed Jul 13 01:07:32 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86
服務端代碼：
In [1]: from socket import *
In [2]: sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM)
In [3]: sock.bind(("",10000))
In [4]: sock.listen(1)
為了簡單，我將listen的backlog設置為1，并且不調用sock.accept方法。這樣所有的ESTABLISHED狀態(tài)的連接都存在積壓隊列中，并且沒有和進程綁定起來。
使用netstat查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 20:23:03 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 1578/Python off (0.00/0/0)
使用ss查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: ss -tnpoa|sed -n -e 1p -e /10000/p Sat Dec 16 20:25:18 2017
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
LISTEN 0 1 *:10000 *:* users:(("ipython",1578,6))
解析一下，ss命令輸出的State=Listen狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，其中Send-Q的大小表示該listen socket積壓隊列的長度，Recv-Q代表已完成三次握手，ESTABLISHED狀態(tài)的連接個數(shù)。這樣的連接存在于listen socket的已連接隊列中。
用nc localhost 10000進行2次連接后，使用netstat查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 20:32:45 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 1578/python off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59890 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6301/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59890 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59892 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59892 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6379/nc off (0.00/0/0)
netstat顯示當前客戶端程序nc連接已經(jīng)建立完成，服務端的2個連接也處于ESTABLISHED狀態(tài)，但因為當前沒有accept調用，所以服務端的兩個連接的進程PID顯示為-，表示當前連接沒有和進程綁定起來。
使用ss查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: ss -tnpoa|sed -n -e 1p -e /10000/p Sat Dec 16 20:36:10 2017
State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port
LISTEN 2 1 *:10000 *:* users:(("ipython",1578,6))
ESTAB 0 0 127.0.0.1:59890 127.0.0.1:10000 users:(("nc",6301,3))
ESTAB 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59890
ESTAB 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59892
ESTAB 0 0 127.0.0.1:59892 127.0.0.1:10000 users:(("nc",6379,3))
通過ss可以看到，當前LISTEN狀態(tài)的RECV-Q值為2，表示有2個ESTABLISHED狀態(tài)的連接在已連接隊列中等待應用層調用accept取走。
用nc localhost 10000進行第三次連接后，netstat查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 20:41:18 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 1578/python off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59890 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6301/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59896 SYN_RECV - on (1.06/3/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59896 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 10989/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59890 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59892 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59892 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6379/nc off (0.00/0/0)
可以看到對于第三個客戶端nc，連接狀態(tài)為ESTABLISHED，表示3次握手已經(jīng)正確完成。而對于服務端，當前的連接狀態(tài)為SYN_RECV，表示半連接狀態(tài)，因為當前積壓隊列已經(jīng)滿，沒有空間再存放ESTABLISHED連接，所以該連接無法從SYN_RECV狀態(tài)變?yōu)镋STABLISHED狀態(tài)，雖然能正確接收到nc端的第三個ACK段。
此時使用tcpdump進行抓包：
zuchunlei@ubuntu14:~$ sudo tcpdump -i any tcp port 10000 -nn
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 65535 bytes
20:50:15.739292 IP 127.0.0.1.10000 > 127.0.0.1.59896: Flags [S.], seq 2458870060, ack 3925261891, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 1340001 ecr 1339751,nop,wscale 7], length 0
20:50:15.739301 IP 127.0.0.1.59896 > 127.0.0.1.10000: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 1340001 ecr 1339751], length 0
20:50:17.738724 IP 127.0.0.1.10000 > 127.0.0.1.59896: Flags [S.], seq 2458870060, ack 3925261891, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 1340501 ecr 1340001,nop,wscale 7], length 0
20:50:17.738772 IP 127.0.0.1.59896 > 127.0.0.1.10000: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 1340501 ecr 1339751], length 0
20:50:21.739110 IP 127.0.0.1.10000 > 127.0.0.1.59896: Flags [S.], seq 2458870060, ack 3925261891, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 1341501 ecr 1340501,nop,wscale 7], length 0
20:50:21.739158 IP 127.0.0.1.59896 > 127.0.0.1.10000: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 1341501 ecr 1339751], length 0
20:50:29.738975 IP 127.0.0.1.10000 > 127.0.0.1.59896: Flags [S.], seq 2458870060, ack 3925261891, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 1343501 ecr 1341501,nop,wscale 7], length 0
20:50:29.739022 IP 127.0.0.1.59896 > 127.0.0.1.10000: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 1343501 ecr 1339751], length 0
20:50:45.739231 IP 127.0.0.1.10000 > 127.0.0.1.59896: Flags [S.], seq 2458870060, ack 3925261891, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 1347501 ecr 1343501,nop,wscale 7], length 0
20:50:45.739310 IP 127.0.0.1.59896 > 127.0.0.1.10000: Flags [.], ack 1, win 342, options [nop,nop,TS val 1347501 ecr 1339751], length 0
對于SYN_RECV狀態(tài)的連接，linux會啟動定時器進行重傳三次握手的第二段[S.]，在4次重傳后，如果當前l(fā)isten socket已連接隊列中依然沒有空間，則將SYN_RECV狀態(tài)的連接丟棄。
等待4次重傳后，使用netstat查看10000端口狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 20:58:20 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 1578/python off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59890 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6301/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59890 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59896 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 15954/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:59892 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:59892 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 6379/nc off (0.00/0/0)
server端將SYN_RECV狀態(tài)的連接丟棄后，此時第三個nc客戶端連接就已經(jīng)成為了半打開連接。
對半打開連接進行send/recv操作時的影響：
如果此時，第三個nc客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，則因為連接對對端不存在，對端會回復RST段，本端收到RST段后也會將連接重置。
如果第三個nc客戶端只接收數(shù)據(jù)的話，則這個客戶端永遠阻塞在recv調用中無法返回。為了有效解決這種問題，客戶端可以啟動tcp的keepalive，因為默認tcp發(fā)送keepalive probe的間隔時間較長，應用可以通過設置socket option(
TCP_KEEPDILE/TCP_KEEPINTVL/TCP_KEEPCNT)將發(fā)送keepalive probe的時間設短些。
今早我測試了一下最新版ubuntu16.04的實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)如果listen socket的積壓隊列滿后，新來客戶端的連接不再成為ESTABLISHED狀態(tài)，而是在SYN_SENT狀態(tài)進行進行SYN段的超時重傳，而服務端不返回任何tcp段。
新版的測試環(huán)境：
zuchunlei@box:~$ uname -a
Linux box 4.10.0-28-generic #32~16.04.2-Ubuntu SMP Thu Jul 20 10:19:48 UTC 2017 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
與之前的測試場景一樣，當前只關注第三個nc客戶端連接的狀態(tài)。
使用netstat查看10000端口的狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 21:21:57 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 2022/python off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:36516 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 2347/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 1 127.0.0.1:36520 127.0.0.1:10000 SYN_SENT 2522/nc on (5.18/3/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:36518 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:36518 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 2388/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:36516 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
此時，第三個nc客戶端連接狀態(tài)為SYN_SENT，進行超時重傳SYN段。
使用tcpdump抓去第三個nc客戶端的tcp包：
zuchunlei@box:~$ sudo tcpdump -i any tcp port 10000 -nn
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 262144 bytes
21:21:47.357226 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214107076 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:21:48.358267 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214107327 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:21:50.373837 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214107831 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:21:54.565832 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214108879 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:22:02.758111 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214110927 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:22:18.885934 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214114959 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
21:22:51.141643 IP 127.0.0.1.36520 > 127.0.0.1.10000: Flags [S], seq 1445936074, win 43690, options [mss 65495,sackOK,TS val 4214123023 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
可以看到客戶端在進行超時重傳SYN段的過程中，服務端沒有發(fā)送一個包。
在客戶端SYN_SENT超時后，使用netstat查看10000端口狀態(tài)：
Every 1.0s: sudo netstat -tnpoa|sed -n -e 2p -e /10000/p Sat Dec 16 21:27:36 2017
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name Timer
tcp 0 0 0.0.0.0:10000 0.0.0.0:* LISTEN 2022/python off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:36516 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 2347/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:36518 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:36518 127.0.0.1:10000 ESTABLISHED 2388/nc off (0.00/0/0)
tcp 0 0 127.0.0.1:10000 127.0.0.1:36516 ESTABLISHED - off (0.00/0/0)
客戶端連接消失。
在當前新版當linux實現(xiàn)中，由于listen socket積壓隊列滿時，新的客戶端連接并不會成為半打開連接，而是在connect調用時進行重傳SYN段，如果達到了SYN_SENT狀態(tài)的閾值后，tcp連接消失，應用層connect調用返回timeout異常！
