1 TCP 报文简介

• TCP：一种面向连接的、可靠的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。它提供全双工和可靠的交付服务

• UDP：一种简单的无连接的传输层协议，由IETF的RFC 768定义。

2 TCP 协议的特点

• 面向连接的：因为程序在使用TCP协议提供的服务时，需要先建立 TCP连接
• 可靠交付：确认重传，无差错、不丢失、不重复
• 面向字节流： “流”指的是 流入到进程或从进程流出 的字节序列。有序的

3 TCP报文格式

• 

  # 常见字段说明
  
  #序列号：随机数作为其初始值
  在建⽴连接时由计算机⽣成的随机数作为其初始值，通过SYN 包传给接收端主机，每发送⼀次数据，就
  「累加」⼀次该「数据字节数」的⼤⼩。⽤来解决⽹络包乱序问题。
  
  #确认应答号：指下⼀次「期望」收到的数据的序列号
  指下⼀次「期望」收到的数据的序列号，发送端收到这个确认应答以后可以认为在这个序号以前的数
  据都已经被正常接收。⽤来解决不丢包的问题。
  控制位：
  ACK：该位为  1 时，「确认应答」的字段变为有效，TCP 规定除了最初建⽴连接时的  SYN 包之外该位必须设置为  1 。
  RST：该位为  1 时，表示TCP 连接中出现异常必须强制断开连接。
  SYN：该位为  1 时，表示希望建⽴连接，并在其「序列号」的字段进⾏序列号初始值的设定。
  FIN：该位为  1 时，表示今后不会再有数据发送，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双⽅的主机之间就可以相互交换  
  URG 紧急指针字段，URG=1,表明紧急指针字段有效。
  FIN 位为1 的TCP 段。
  
  ACK 确认号，ACK=1，确认应答有效
  

4 TCP 三次握手

• TCP三次握手图
  

  ⼀开始，客户端和服务端都处于  CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端⼝，处于  LISTEN 状态
  
  
  1.客户端：发起请求连接 SYN=1,并随机产生一个序列号Seq,这里以100为 例。 进入 SYN-SENT 发送状态
  2.服务端：建立TCP连接，发送SYN=1,随机产生自己的seq，这里以200为 例。同时，给客户端发送有效确认位ACK=1，并告知下次 从哪里获取序列号 ack=seq+1(上一次的seq) ，进入 syn-sent发送状态
  
  3.客户端：确认收到 发送ACK=1.ack=2001 ，进入 established转态，完成三次握手。前2次不带数据，第三次是可以带数据的
  
  
  ACK :确认位 ，表示是否收到
  ack:确认号，表示下一次期待收到数据的序列号
  

5 TCP 四次分手

• 四次分手图

  

  1. 客户端主动发起释放连接 FIN=1 ，加上自己现在的seq，进入fin-wait转态
  2.服务端 接收到后，进行确认位ACK=1(表示自己收到请求了),同时 加上自己的序列号seq，及下次期待从哪里断开确认好ack=seq+1(上一次的seq),进入 close-wait转态
  3.数据接收完毕后，服务器 会主动发送 FIN=1释放连接，ACK=1,同时加上自己的seq，及确认号 ack=seq+1 进入 close-wait转态，等待服务端处理完数据后，也向客户端发送  FIN 报⽂，之后服务端进⼊  LAST_ACK 状态。
  
  
  4.客户端收到后，ACK=1 确认收到了，然后发送seq,及确认号 seq+1(上一次的seq)，
  # 这⾥⼀点需要注意是：主动关闭连接的，才有TIME_WAIT 状态。
  
  
  户端收到服务端的  FIN 报⽂后，回⼀个  ACK 应答报⽂，之后进⼊  TIME_WAIT 状态
  服务器收到了  ACK 应答报⽂后，就进⼊了  CLOSED 状态，⾄此服务端已经完成连接的关闭。
  客户端在经过  2MSL ⼀段时间后，⾃动进⼊  CLOSED 状态，⾄此客户端也完成连接的关闭。
  

6.常见的面试问题

6.1 为什么需要TCP 协议？TCP ⼯作在哪⼀层？

• 答

  # IP  层是「不可靠」的，它不保证⽹络包的交付、不保证⽹络包的按序交付、也不保证⽹络包中的数据的完整性。如果需要保障⽹络数据包的可靠性，那么就需要由上层（传输层）的  TCP 协议来负责。
  
  #因为TCP 是⼀个⼯作在传输层的可靠数据传输的服务，它能确保接收端接收的⽹络包是⽆损坏、⽆间隔、⾮冗余和按序的。
  

6.2 为什么是三次握⼿？不是两次、四次？

• 答

  # 因为三次握⼿才能保证双⽅具有接收和发送的能⼒ ---不全，详细如下：
  
  列号。序列号能够保证数据包不᯿复、不丢弃和按序传输。
  #在前⾯我们知道了什么是 TCP 连接：
  ⽤于保证可靠性和流ᰁ控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括Socket、序列号和窗⼝⼤⼩称为连
  接。所以，᯿要的是为什么三次握⼿才可以初始化Socket、序列号和窗⼝⼤⼩并建⽴TCP 连接。
  
  #接下来以三个⽅⾯分析三次握⼿的原因：
    三次握⼿才可以阻⽌重复历史连接的初始化(主要原因)
    三次握⼿才可以同步双⽅的初始序列号
    三次握⼿才可以避免资源浪费
    
  # 在我们来看看RFC 793 指出的TCP 连接使⽤三次握⼿的⾸要原因：是为了防⽌旧的重复连接初始化造成混乱。
  
  # TCP 协议的通信双⽅， 都必须维护⼀个「序列号」， 序列号是可靠传输的⼀个关键因素，接收方按序接受，去除重复的序列号。
  
  
  # 如果只有「两次握⼿」，当客户端的  SYN 请求连接在⽹络中阻塞，客户端没有接收到  ACK 报⽂，就会重新发送  SYN ，由于没有第三次握⼿，服务器不清楚客户端是否收到了⾃⼰发送的建⽴连接的  ACK 确认信号，所以每收到⼀个  SYN 就只能先主动建⽴⼀个连
  
  
  小结：# TCP 建⽴连接时，通过三次握⼿能防⽌历史连接的建⽴，能减少双⽅不必要的资源开销，能帮助双⽅同步初始化序
   # 两次握⼿：⽆法防⽌历史连接的建⽴，会造成双⽅资源的浪费，也⽆法可靠的同步双⽅序列号；
   # 四次握⼿：三次握⼿就已经理论上最少可靠连接建⽴，所以不需要使⽤更多的通信次数。
  

6.3 为什么客户端和服务端的初始序列号ISN 是不相同的？

• 答

  # 如果⼀个已经失效的连接被重复⽤了，但是该旧连接的历史报⽂还残留在⽹络中，如果序列号相同，那么就⽆法分辨出该报⽂是不是历史报⽂，如果历史报⽂被新的连接接收了，则会产⽣数据错乱。
  
  

6.4 初始序列号ISN 是如何随机产⽣的？

• 答

  # 起始  ISN  是基于时钟的，每4 毫秒+ 1，转⼀圈要4.55 个⼩时。
  # RFC1948 中提出了⼀个较好的初始化序列号ISN 随机⽣成算法。
     ISN = M + F (localhost, localport, remotehost, remoteport)
  
  M 是⼀个计时器，这个计时器每隔4 毫秒加1。
  F 是⼀个Hash 算法，根据源IP、⽬的IP、源端⼝、⽬的端⼝⽣成⼀个随机数值。要保证Hash 算法不能
  被外部轻易推算得出，⽤MD5 算法是⼀个⽐较好的选择。
  
  

6.5 什么是SYN 攻击？如何避免SYN 攻击？

• 答

  #我们都知道TCP 连接建⽴是需要三次握⼿，假设攻击者短时间伪造不同IP 地址的  SYN 报⽂，服务端每接收到⼀个  SYN 报⽂，就进⼊SYN_RCVD 状态，但服务端发送出去的  ACK + SYN 报⽂，⽆法得到未知IP 主机的
  # ACK 应答，久⽽久之就会占满服务端的SYN 接收队列（未连接队列），使得服务器不能为正常⽤户服务。
  

6.6 为什么挥⼿需要四次？

• 答

  # 再来回顾下四次挥⼿双⽅发  FIN 包的过程，就能理解为什么需要四次了。
  关闭连接时，客户端向服务端发送  FIN 时，仅仅表示客户端不再发送数据了但是还能接收数据。
  服务器收到客户端的  FIN 报⽂时，先回⼀个  ACK 应答报⽂，⽽服务端可能还有数据需要处理和发送，等服务端不再发送数据时，才发送  FIN 报⽂给客户端来表示同意现在关闭连接。
  从上⾯过程可知，服务端通常需要等待完成数据的发送和处理，所以服务端的  ACK 和  FIN ⼀般都会分开发送，从⽽⽐三次握⼿导致多了⼀次。
  

6.7 为什么需要TIME-WAIT？进入TIME-WAIT，再等2倍的MSL呢？TIME_WAIT 过多有什么危害？

• 答

  1. # 原因⼀：防⽌旧连接的数据包、原因⼆：保证连接正确关闭
  
  2. # 2MSL 的时间是从客户端接收到FIN 后发送ACK 开始计时的。如果在TIME-WAIT 时间内，因为客户端的ACK
  没有传输到服务端，客户端⼜接收到了服务端᯿发的FIN 报⽂，那么 2MSL 时间将重新计时。
  
  #如果最后一个ACK发过去失败了，那显然服务端没收到，就不能进入closed，此时服务端会重发上一条FIN-ACK报文，那你客户端已经关闭了，显然不合适吧。素以这个2SML正好就是来往一圈的时间，确保服务器能收到最后一条ACK。同时，这个过程还能确保一些异常的数据在网络中消失，不会影响到下一次通信。
  
  3.#  第⼀是内存资源占⽤； 第⼆是对端⼝资源的占⽤，⼀个TCP 连接⾄少消耗⼀个本地端⼝；
  
  

6.8 TCP 是⼀个可靠传输的协议，那它是如何保证可靠的呢

• 答

  # TCP 是通过序列号、确认应答、重发控制、连接管理以及窗⼝控制等机制实现可靠性传输的
  
  # 重点介绍TCP 的重传机制、滑动窗⼝、流量控制、拥塞控制
  重传机制:超时重传、快速重传、SACK方法
  滑动窗⼝:指定窗⼝⼤⼩，窗⼝⼤⼩就是指⽆需等待确认应答，⽽可以继续发送数据的最⼤值。
  流量控制:窗口关闭(如果窗⼝⼤⼩为0 时，就会阻⽌发送⽅给接收⽅传递数据，直到窗⼝变为⾮0 为⽌
  拥塞控制:慢启动、拥塞避免