全文阅读大致3分钟，学习本文可以掌握以下知识：
- netcat、ss、lsof命令的使用
- tcp协议的三次握手和四次挥手
- udp协议的基本表现过程以及icmp报文发送的原因
- tcpdump、nc命令的使用
- 三道关于TCP/IP协议的面试题答案
1、从查看系统端口监听说起
在平时的开发中，出现listen EADDRINUSE: address already in use :::3000这种错误的频率很高，尤其在windows系统下，杀死个进程都杀不彻底。当遇到这种问题的时候，我们第一反应就是查看系统是哪个进程也在监听同样的端口。于是引出了我们要介绍的以下三个命令。
以下三个命令只在类UNI\系统上，系统之间的命令参数有一些细微差异，以系统提示为准，下面说的都是指在linux系统上*
1.1、netstat
netstat命令提供了一些关于网络连接的信息，可以用它来罗列所有监听的TCP端口或UDP端口，以及对应的套接字状态，如下：
netstat -tunlp
- -t 显示TCP端口
- -u 显示UDP端口
- -n 显示IP地址而不是域名
- -l 只显示正在监听的端口
- -p 显示监听端口的进程ID
输出大致如下：
Active Internet connections (only servers) Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address State PID/Program name tcp 0 0 0.0.0.0:27017 0.0.0.0:* LISTEN 1889/mongod tcp 0 0 0.0.0.0:80 0.0.0.0:* LISTEN 786/nginx -g daemon tcp 0 0 0.0.0.0:22 0.0.0.0:* LISTEN 884/sshd tcp 0 0 0.0.0.0:443 0.0.0.0:* LISTEN 786/nginx -g daemon tcp6 0 0 :::8080 :::* LISTEN 23087/node tcp6 0 0 :::10000 :::* LISTEN 4988/node tcp6 0 0 :::80 :::* LISTEN 786/nginx -g daemon tcp6 0 0 :::8054 :::* LISTEN 11915/node udp 0 0 172.16.179.237:123 0.0.0.0:* 750/ntpd udp 0 0 127.0.0.1:123 0.0.0.0:* 750/ntpd udp 0 0 0.0.0.0:123 0.0.0.0:* 750/ntpd udp6 0 0 :::123 :::* 750/ntpd
netstat命令如今已经过时了，因为有新的命令替换-ss。
1.2、ss
ss命令没有了netstat的一些特性，不过它暴露出更多的TCP状态并且它更加轻量快速。该命令的选项和netstat大致一样，所以很容易上手：
ss -tunlp
输出大致如下：
Netid State Recv-Q Send-Q Local Address:Port Peer Address:Port udp UNCONN 0 0 172.16.179.237:123 *:* users:(("ntpd",pid=750,fd=19)) udp UNCONN 0 0 127.0.0.1:123 *:* users:(("ntpd",pid=750,fd=18)) udp UNCONN 0 0 *:123 *:* users:(("ntpd",pid=750,fd=17)) udp UNCONN 0 0 :::123 :::* users:(("ntpd",pid=750,fd=16)) tcp LISTEN 0 128 *:27017 *:* users:(("mongod",pid=1889,fd=7)) tcp LISTEN 0 128 *:80 *:* users:(("nginx",pid=11173,fd=10),("nginx",pid=786,fd=10)) tcp LISTEN 0 128 *:22 *:* users:(("sshd",pid=884,fd=3)) tcp LISTEN 0 128 *:443 *:* users:(("nginx",pid=11173,fd=9),("nginx",pid=786,fd=9)) tcp LISTEN 0 128 :::8080 :::* users:(("node",pid=23087,fd=10)) tcp LISTEN 0 128 :::10000 :::* users:(("node",pid=4988,fd=10)) tcp LISTEN 0 128 :::80 :::* users:(("nginx",pid=11173,fd=11),("nginx",pid=786,fd=11)) tcp LISTEN 0 128 :::8054 :::* users:(("node",pid=11915,fd=12))
1.3、lsof
lsof是一个强大的命令行工具，提供了进程打开的文件的一些信息。因为在Linux，一切皆文件。所以一个打开的套接字也可以认为是一个文件。
罗列所有监听的TCP端口：
lsof -nP -iTCP -sTCP:LISTEN
- -n 不要转换端口号为端口名称
- -p 不要解析域名，显示其IP地址
- -iTCP -sTCP:LISTEN 显示TCP状态为LISTEN的网络文件
输出如下：
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME nginx 786 root 9u IPv4 13574 0t0 TCP *:443 (LISTEN) nginx 786 root 10u IPv4 13575 0t0 TCP *:80 (LISTEN) nginx 786 root 11u IPv6 13576 0t0 TCP *:80 (LISTEN) sshd 884 root 3u IPv4 14458 0t0 TCP *:22 (LISTEN) mongod 1889 root 7u IPv4 21178 0t0 TCP *:27017 (LISTEN) node 4988 root 10u IPv6 40123 0t0 TCP *:10000 (LISTEN) nginx 11173 www-data 9u IPv4 13574 0t0 TCP *:443 (LISTEN) nginx 11173 www-data 10u IPv4 13575 0t0 TCP *:80 (LISTEN) nginx 11173 www-data 11u IPv6 13576 0t0 TCP *:80 (LISTEN) node 11915 root 12u IPv6 7200966 0t0 TCP *:8054 (LISTEN) node 23087 root 10u IPv6 5497007 0t0 TCP *:8080 (LISTEN)
查找指定端口可以这样：lsof -nP -iTCP:8054 -sTCP:LISTEN
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME node 11915 root 12u IPv6 7200966 0t0 TCP *:8054 (LISTEN)
好了，三个命令介绍到此为止。这个时候问一下大家一个问题：
上述过滤的状态都是LISTEN，那么TCP有多少种状态？状态与状态之间的变化是怎样的？你能从某个状态中就能推断出当前TCP连接处于什么阶段吗？
这个问题你自己心中有数的话，可以跳过下一小节
2、TCP状态的转移
下图是从wiki上引用的TCP状态转移图：
图片来自：wiki
- 客户端向服务器发送TCP连接请求数据包，客户端状态从CLOSED变为SYN_SENT，其中包含主机A的初始序列号seq(A)=x。（其中报文中同步标志位SYN=1，ACK=0，表示这是一个TCP连接请求数据报文；序号seq=x，表明传输数据时的第一个数据字节的序号是x）；
- 服务端收到请求后，会发回连接确认数据包。服务端状态从LISTEN变为SYN_RECEIVED，（其中确认报文段中，标识位SYN=1，ACK=1，表示这是一个TCP连接响应数据报文，并含服务端的初始序列号seq(B)=y，以及服务端对客户端初始序列号的确认号ack(B)=seq(A)+1=x+1）
- 客户端收到服务端的确认报文后，还需作出Ack(此时这个数据包可以携带数据报文了)，即发送一个序列号seq(A)=x+1；确认号为ack(A)=y+1的报文，此时客户端状态转为ESTABLISHED，服务端收到这个ACK后，状态也转为ESTABLISHED；
2.2、面试题：为什么需要三次握手？
此题需要从两个点回答：
- 首要原因是为了解决客户端多次发起请求的问题，你想想看，在网络状况不好的情况下，客户端发起一个连接请求没收到响应的话会继续发送请求，如果最先发送的请求到服务端了，在用两次握手的前提下，服务端就会用这个已经过期的请求的序列号建立连接，而客户端却认为这个序列号是过期的，就会忽略掉，这样双方造成了很大的误解。而如果用三次握手的话，客户端就还有机会告诉服务端你的这个响应是过期的还是正常的，如果是过期的就可以发送RST消息告诉服务端断掉这个连接，如果不是的话，就返回ACK建立连接。
- 第二个原因是为了同步双方的序列号，两次握手是做不到同步双方的序列号的。
关于第一个原因可以参考下图(截图自RFC793的3.4节)：
- 第一次挥手(FIN=1，seq=x) 假设客户端想要关闭连接，客户端发送一个FIN标志位置为1的包，表示自己已经没有数据可以发送了，但是仍然可以接受数据。发送完毕后，客户端进入FIN_WAIT_1状态
- 第二次挥手(ACK=1，ACKnum=x+1) 服务器端确认客户端的FIN包，发送一个确认包，表明自己接受到了客户端关闭连接的请求，但还没有准备好关闭连接。 发送完毕后，服务器端进入CLOSE_WAIT状态，客户端接收到这个确认包之后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务器端关闭连接。
- 第三次挥手(FIN=1，seq=y) 服务器端准备好关闭连接时，向客户端发送结束连接请求，FIN置为1。发送完毕后，服务器端进入LAST_ACK状态，等待来自客户端的最后一个ACK。
- 第四次挥手(ACK=1，ACKnum=y+1) 客户端接收到来自服务器端的关闭请求，发送一个确认包，并进入TIME_WAIT状态，等待可能出现的要求重传的ACK包。 服务器端接收到这个确认包之后，关闭连接，进入CLOSED状态。 客户端等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，没有收到服务器端的ACK，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入CLOSED状态。
为什么是2MSL？因为TCP/IP协议规定了超过这个时间的数据包都是会被废弃掉的，也就是一个数据包在网络中存活的最大时间
2.4、面试题：为什么需要四次挥手？
答：第二次和第三次无法整合起来变成三次挥手是因为服务端接收到FIN报文之后，手上可能还有数据需要发送给客户端，所以ACK和FIN不能同时发送。
3、UDP协议探析
探究UDP我们使用netcat这个工具，我们先用netcat来新建一个UDP服务器：
nc -u -l 0.0.0.0 3000
然后使用nc来新建一个客户端：
nc -u -p 3001 localhost 3000
- -u 指定udp协议
- -l 指定监听的端口和ip
- -p 指定客户端的源端口
我们还需要使用tcpdump工具来dump数据包，或者可以使用wireshark来抓包：
─$ sudo tcpdump -ni lo0 'udp port 3001 or icmp' 1 ↵ Password: tcpdump: data link type PKTAP tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode listening on pktap, link-type PKTAP (Apple DLT_PKTAP), capture size 262144 bytes
- -n 不用将Ip地址解析为域名
- -i 指定抓包的网卡，我们这里指定抓的是回环口
因为UDP是无连接的，所以这会看不到任何的数据包
但是真的完全没有“连接”吗？其实并不是完全正确的，至少在客户端这边有这么一个连接存在，
我们使用上面提到的命令lsof：
╰─$ lsof -nP -iUDP | grep 3000 nc 60738 linxiaowu 3u IPv4 0x8ea59d14b13d38bf 0t0 UDP *:3000 nc 60744 linxiaowu 6u IPv4 0x8ea59d14b13d208f 0t0 UDP 127.0.0.1:3001->127.0.0.1:3000
从上面可以看出，客户端已经有了连接的概念，服务端还没有意识有这么一个连接存在。接着我们从客户端发送一条消息：hi，此时我们再使用lsof可以看到服务端也有此连接了：
❯ lsof -nP -iUDP | grep 3000 nc 60738 linxiaowu 3u IPv4 0x8ea59d14b13d38bf 0t0 UDP 127.0.0.1:3000->127.0.0.1:3001 nc 60744 linxiaowu 6u IPv4 0x8ea59d14b13d208f 0t0 UDP 127.0.0.1:3001->127.0.0.1:3000
所以从这里可以看到UDP的连接完全建立是在第一个数据包发送之后。tcpdump可以看到数据包：
17:18:17.419352 IP 127.0.0.1.3001 > 127.0.0.1.3000: UDP, length 3
这个时候我们关掉服务器，如果是TCP，那么会有一系列的协商报文发送出去，而UDP就不会，再看端口：
lsof -nP -iUDP | grep 3000 nc 60744 linxiaowu 6u IPv4 0x8ea59d14b13d208f 0t0 UDP 127.0.0.1:3001->127.0.0.1:3000
客户端此时并不知道服务器down掉了，接着我们从客户端发送消息hi?，此时netcat命令会自动退出，这个时候，它才知道连接断开了，并且我们发现有个ICMP报文从服务端发送出来：