Tcp协议基础和常见面试问题

本篇文章是在看了别人的一些文章后，用于自己记录使用

在之前先列出一些有关的基础知识

OSI七层模型与TCP/IP四层模型

TCP/IP模型的层间通信与数据封装

• 数据包在网络设备之间进行传输的过程中，为了保证数据包准确地发送到目的地，发送端会对数据包进行封装（在每一层都加上头部信息）。
• 在发送的数据包上附加TCP或者是UDP的包头形成数据段segment，网络层会添加IP包头形成数据包Packet，数据链路层会给数据添加以太网包头和FCS包尾，形成数据帧Frame，最后转换成二进制的比特流通过物理线路传到接收方。这个操作过程就叫做数据封装，而对数据包进行处理时通信双方所遵循和协商好的规则称为协议。
• 接收端收到数据后会进行解封装，从物理层开始，进行与发送端相反的操作，一层层去掉包头，最终使应用层程序获取到数据信息，使得发送方和接收方数据通信完成。

TCP

TCP 是一个协议，接下来要了解下

• TCP特点
• TCP和UCP的区别
• TCP 协议头部中每个字段的信息含义
• TCP 的三次握手和四次挥手

TCP特点

• TCP是面向连接的传输层协议
• TCP链接是点对点的（套接字）
• TCP提供可靠交付的服务
• TCP提供全双工通道
• 面向字节流

TCP和UCP的区别

『』	TCP	UDP
是否链接	面向连接	面向非链接
连接方式	点到点（套接字）	一对一，一对多，多对一，多对多
传输可靠性	可靠	不可靠（它只管发送，不管对方是否收到的）
是否有拥塞控制	面向字节流，有拥塞控制	面向报文，无拥塞控制（实时性好，如IP电话，实时视频会议）
逻辑通信信道	全双工的可靠信道	不可靠信道
应用场合	传输大量数据	少量数据
速度	慢	快
大小	无限制	每个数据包64K

• TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
• TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
• TCP面向字节流，有流量拥塞控制。实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的，UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
• 每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
• TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

一. TCP 协议头部中每个字段的信息含义

Header Length

• Head 的大小 ， 用 4 bit 表示 ， 4 bit 的最大值为 15 , 单位是 32-bit , 所以 20 byte ≤ Header Length ≤ 60 byte 。

Source Port 和 Destination Port

• Source Port 和 Destination Port 分别占用16位
• 表示源端口号和目的端口号，用于区分主机中的不同进程
• IP地址用来区分不同主机的，源端口号和目的端口号配合上IP首部中的源IP地址就能确定为一个TCP连接

32位序号（SequenceNumber）

• 是包的序号，用来解决网络包乱序（reordering）问题
• 用来标识从TCP 发送端向TCP 接收端的数据字节流
• 一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。
• 假设主机A和主机B进行TCP通信，A发送给B的第一个TCP报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值ISN（Initial Sequence Number，初始序号值）。那么在该传输方向上（从A到B），后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个TCP报文段传送的数据是字节流中的第1025~2048字节，那么该报文段的序号值就是ISN+1025.另外一个传输方向（从B到A）的TCP报文段的序号值也具有相同的含义

32位确认号（Acknowledge number）

• 就是ACK——用于确认收到，用来解决不丢包的问题
• 用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。
• 其值是收到的TCP报文段的序号值加1。
• 只有ACK=1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1
• 假设主机A和主机B进行TCP通信，那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号，而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之，B发送出的TCP报文段也同时携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认号。

DataOffset(数据偏移（即首部长度）)

• 占4个字节，它指出TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远
• 给出头部占32比特的数目
• 没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节（5x32=160比特）；最多可以有60字节的TCP头部。

Reserved（保留字段）

• 占6位，保留为今后使用，但目前应置为0

TCPFlag(标志位)

• 占6位，分别表示6个标志；它们可多个同时被设置为1，主要是用于操控TCP的状态机，分为紧急URG,确认ACK,推送PSH(Push),复位RST(ReSeT),同步SYN,终止FIN(FINis)，下面会有详细说明

windows size(窗口大小)

• 占16比特。
• 是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告诉对方本端的TCP接收缓冲区还能容纳多少字节的数据，这样对方就可以控制发送数据的速度。

Checksum（检验和）

• 占2字节。
• 检验的范围包括：TCP头部和TCP数据这两部分。
• 在计算检验和时，要在TCP报文段的前面加上12字节的伪首部

UrgentPointers（紧急指针字段）：

• 占16位，指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。
• 它是一个偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号

Option（选项字段）

• TCP头部的最后一个选项字段（options）是可变长的可选信息。
• 0：选项表结束（1 byte）
• 1：无操作（1 byte）用于选项字段之间的字边界对齐。
• 2：最大报文段长度（4 byte，Maximum Segment Size，MSS）通常在创建连接而设置SYN标志的数据包中指明这个选项，指明本端所能接收的最大长度的报文段。通常将MSS设置为（MTU-40）byte，携带TCP报文段的IP数据报的长度就不会超过MTU，从而避免本机发生IP分片。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。
• 3：窗口扩大因子（4 byte，wscale），取值0-14。用来把TCP的窗口的值左移的位数，使窗口值乘倍。只能出现在同步报文段中，否则将被忽略。这是因为现在的TCP接收数据缓冲区（接收窗口）的长度通常大于65535 byte。
• 4：sackOK—发送端支持并同意使用SACK选项。
• 5：SACK实际工作的选项。
• 8：时间戳（10 byte，TCP Timestamps Option，TSopt）
  发送端的时间戳（Timestamp Value field，TSval，4 byte）
  时间戳回显应答（Timestamp Echo Reply field，TSecr，4 byte）
• 这部分最多包含40字节，因为TCP头部最长是60字节（其中还包含前面讨论的20字节的固定部分）

TCPFlag （每一位占 1 bit）

• URG(urgent紧急)：当URG= 1 时，表示TCP 包的紧急指针域有效，用来保证TCP连接不被中断，并督促中间层设备要尽快处理这些数据（它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)）
• ACK(acknowledgement确认)：当ACK= 1 时，表示确认号字段有效，当ACK= 0 时，确认号无效
• PSH(push传送)：这个标志位标识push操作，push操作就是在数据包到达接收端以后，立即传送给应用程序，而不是在缓冲区排队
• RST(reset重置)：当RST= 1 时，表明TCP连接需要释放连接，然后再重新建立连接，也被用来拒绝错误和非法的数据包
• SYN(synchronous建立联机)：表示同步序号，用来建立连接。SYN标志位和ACK标志位搭配使用，当连接请求的时候，SYN=1,ACK=0;连接被响应的时候，AYN=1,ACK=1。这个标志的数据包常常被用来进行端口扫描。扫描者发送一个只有SYN的数据包，如果对方主机响应了一个数据包回来，就表明这台主机存在这个端口，但是由于这种扫描只是进行TCP三次握手的第一次握手，因此这种扫描的成功表明被扫描的机器很不安全，一台安全的主机将会强制要求一个连接严格的进行TCP的三次握手
• FIN(finish结束)：表示发送端已经达到数据末尾，也就是说双方数据传送完成，没有数据可以传送了，发送FIN 标志位的TCP数据包后，连接将断开，要求释放运输连接

二、TCP 3次握手和4次挥手

TCP 3次握手

TCP 3次握手的目的作用

• TCP是面向连接的，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须现在双方之间建立一条连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务
• 所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。
• 三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息
• 在socket编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。

• 第一次握手：建立连接，客户端发送连接请求报文(将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J)到服务器，并进入SYN_SENT（请求链接状态），等待服务器确认
• 第二次握手：服务器收到数据包后通过标志位SYN=1 知道客户端请求建立连接，服务端并将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将数据包发送给客户端以确认连接请求，服务端进入SYN_RCVD 状态（正在等待处理的请求数据）
• 三次握手：客户端收到服务器的数据包后，检查ack是否为J+1,ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1,并将该数据包发送给服务端，服务端检查ack是否为K+1,ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器进入ESTABLISHEN（TCP链接成功）状态，完成三次握手，随后客户端与服务端之间可以开始传输数据

需要注意的是：

• （A）不要将确认序号ack与标志位中的ACK搞混了。
• （B）确认方ack=发起方Seq+1，两端配对。

SYN攻击：

在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了

四次挥手

• 四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。
• 在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发
• 由于TCP连接时全双工的，因此每个方向都必须要单独进行关闭
• 这一原则是：当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接
• 收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN
• 首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭

挥手过程

• 第一次挥手： client —> server 发送一个FIN，用来关闭 client -> server 的数据传送，client进入FIN_WAIT_1状态
• 第二次挥手. server 收到FIN后，还可以继续发送数据，所以发送ACK给server，确认序号为收到序号+1(与SYN相同，一个FIN占用一个序号)，server进入CLOSE_WAIT状态
• 第三次挥手. server发送一个FIN，server -> client 的数据传送，server 进入LAST_ACK 状态
• 第四次挥手. client收到FIN后，client 进入TIME_WAIT 状态，接着发送一个ACK给Server,确认序号为收到序号+1，server进入CLOSED 状态，完成四次挥手

常见问题

【问题1】为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

• 因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。
• 而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

• 虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入CLOSE状态了，但是我们必须假象网络是不可靠的，有可以最后一个ACK丢失。
• 所以TIME_WAIT状态就是用来重发可能丢失的ACK报文。在Client发送出最后的ACK回复，但该ACK可能丢失。
• Server如果没有收到ACK，将不断重复发送FIN片段。所以Client不能立即关闭，它必须确认Server接收到了该ACK。
• Client会在发送出ACK之后进入到TIME_WAIT状态。
• Client会设置一个计时器，等待2MSL的时间。如果在该时间内再次收到FIN，那么Client会重发ACK并再次等待2MSL。所谓的2MSL是两倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。
• MSL指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL就是一个发送和一个回复所需的最大时间。
• 如果直到2MSL，Client都没有再次收到FIN，那么Client推断ACK已经被成功接收，则结束TCP连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？

• 3次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
• 3次握手主要是为了防止已失效的请求连接报文忽然又传送到了，从而产生错误。
• 假定A向B发送一个连接请求，由于一些原因，导致A发出的连接请求在一个网络节点逗留了比较多的时间。此时A会将此连接请求作为无效处理 又重新向B发起了一次新的连接请求，B正常收到此连接请求后建立了连接，数据传输完成后释放了连接。如果此时A发出的第一次请求又到达了B，B会以为A又发起了一次连接请求，如果是两次握手：此时连接就建立了，B会一直等待A发送数据，从而白白浪费B的资源。 如果是三次握手：由于A没有发起连接请求，也就不会理会B的连接响应，B没有收到A的确认连接，就会关闭掉本次连接

【问题4】三次握手的第三个ACK包丢失

• 当Client端收到Server的SYN+ACK应答后，其状态变为ESTABLISHED，并发送ACK包给Server；
• 如果此时ACK在网络中丢失，那么Server端该TCP连接的状态为SYN_RECV，并且依次等待3秒、6秒、12秒后重新发送SYN+ACK包，以便Client重新发送ACK包。
• server重发SYN+ACK包的次数，可以通过设置/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries修改，默认值为5。
• 如果重发指定次数后，仍然未收到ACK应答，那么一段时间后，Server自动关闭这个连接。
• 但是Client认为这个连接已经建立，如果Client端向Server写数据，Server端将以RST包响应，方能感知到Server的错误

【问题5】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

• TCP还设有一个保活计时器，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。
• 服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接。