TCP网络那点破事！三次握手四次挥手TIME-WAITHTTP 2.0 ....

Posted 2022-02-12 计算机网络工程师

来自公众号：微观技术

大家好，我是Tom哥~

今天主要给各位分享TCP网络的一些常见知识点，日常工作或面试会经常遇到。考虑内容篇幅不小，建议先收藏，慢慢咀嚼。

如果有帮助，也请转给身边的朋友们，”独乐乐不如众乐乐“

首先，来个目录，让大家对文章内容先有个直观了解

网络的七层模型，简单介绍每层的作用？

答案：分为7层，从下到上依次是：

应用层：计算机用户与网络之间的接口，常见的协议有：HTTP、FTP、 SMTP、TELNET

表示层：数据的表示、安全、压缩。将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式。

会话层：建立和管理本地主机与远程主机之间的会话。

传输层：定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验，保证报文能正确传输。协议有TCP、UDP

网络层：路由选择算法，进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的最佳路径选择。协议有IP、ICMP

数据链路层：接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层；同样，也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层。这一层的数据叫做帧。

物理层：建立、维护、断开物理连接。传输比特流（将1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

TCP 报文首部有哪些字段?

答案：

源端口、目的端口：各占2个字节，表示数据从哪个进程来，去往哪个进程

序号（Sequence Number）：占4个字节，TCP连接中传送的数据每一个字节都会有一个序号

确认号（Acknowledgement Number）：占4个字节，另一方发送的tcp报文段的响应

数据偏移：头部长度，占4个字节，表示TCP报文段的数据距离TCP报文段的起始处有多远。

6位标志位：

URG：紧急指针是否有效

ACK：表示确认号是否有效

PSH：提示接收端应用程序立刻将数据从tcp缓冲区读走

RST：表示要求对方重新建立连接

SYN：这是一个连接请求或连接接受的报文

FIN：告知对方本端要关闭连接

窗口大小：占4个字节，用于TCP流量控制。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。

校验和：占2个字节，由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以检验TCP报文段在传输过程中是否损坏。检验的范围包括头部、数据两部分，是TCP可靠传输的一个重要保障。

紧急指针：占2个字节，一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号，用于发送端向接收端发送紧急数据。

TCP 三次握手过程？

答案：目的是同步连接双方的序列号和确认号，并交换TCP窗口。

第一次握手，客户端发送(seq=x)，客户端进入SYN_SEND状态

第二次握手，服务端响应(Seq=y, Ack=x+1)，服务器端就进入SYN_RCV状态。

第三次握手，客户端收到服务端的确认后，发送(Ack=y+1)，客户端进入ESTABLISHED状态。当服务器端接收到这个包时，也进入ESTABLISHED状态。

为什么是三次握手，而不是两次或四次？

答案：

如果只有两次握手，那么服务端向客户端发送 SYN/ACK 报文后，就会认为连接建立。但是如果客户端没有收到报文，那么客户端是没有建立连接的，这就导致服务端会浪费资源。

使用两次握手无法建立 TCP 连接，而使用三次握手是建立连接所需要的最小次数

TCP 四次挥手的过程？

答案：

第一次挥手：客户端向服务端发送连接释放报文

第二次挥手：服务端收到连接释放报文后，立即发出确认报文。这时 TCP 连接处于半关闭状态，即客户端到服务端的连接已经释放了，但是服务端到客户端的连接还未释放。表示客户端已经没有数据发送了，但是服务端可能还要给客户端发送数据。

第三次挥手：服务端向客户端发送连接释放报文

第四次挥手：客户端收到服务端的连接释放报文后，立即发出确认报文。此时，客户端就进入了 TIME-WAIT 状态。注意此时客户端到 TCP 连接还没有释放，必须经过 2*MSL（最长报文段寿命）的时间后，才进入CLOSED 状态。

为什么需要四次挥手？

答案：TCP 是全双工。一方关闭连接后，另一方还可以继续发送数据。所以四次挥手，将断开连接分成两个独立的过程。

客户端 TIME-WAIT ，为什么要等待 2MSL 才进入 CLOSED 状态？

答案：MSL 是报文段在网络上最大存活时间。

确保 ACK 报文能够到达服务端，从而使服务端正常关闭连接。客户端在发送完最后一个 ACK 报文段后，再经过 2MSL，就可以保证本连接持续的时间内产生的所有报文段都从网络中消失。这样就可以使下一个连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

一台 8G 内存服务器，可以同时维护多少个连接？

答案：发送、接收缓存各4k，还要考虑socket描述符，一个tcp连接需要占用的最小内存是8k，那么最大连接数为：8*1024*1024 K / 8 K = 1048576 个，即约100万个tcp长连接。

什么是拆包？

答案：传输层封包不能太大，基于这个限制，往往以缓冲区大小为单位，将数据拆分成多个 TCP 段（TCP Segment）传输。在接收数据的时候，一个个 TCP 段又被重组成原来的数据。简单来讲分为几个过程：拆分——传输——重组。

什么是粘包？

答案：解决数据太小问题，防止多次发送占用资源。TCP 协议将它们合并成一个 TCP 段发送，在目的地再还原成多个数据。

缓冲区是做什么用？

答案：缓冲区是在内存中开辟的一块区域，目的是缓冲。当应用频繁地通过网卡收、发数据，网卡只能一个一个处理。当网卡忙不过来的时候，数据就需要排队，也就是将数据放入缓冲区。

注意：TCP Segment 的大小不能超过缓冲区大小。

TCP 协议是如何保证数据的顺序？

答案：

大数据拆包成多个片段，发送可以保证有序，但是由于网络环境复杂，并不能保证它们到达时也是有序的，为了解决这个问题，对每个片段用Sequence Number编号，接收数据的时候，通过 Seq 进行排序。

注意：seq是累计的发送字节数

TCP 协议如何解决丢包？

答案：丢包需要重发，关键是如何判断有没有丢包！

每一个数据包，接收方都会给发送方发响应。每个 TCP 段发送时，接收方已经接收了多少数据，用 Acknowledgement Number（简写ACK） 表示。

注意：ack是累计的接收字节数，表示这个包之前的包都已经收到了。

什么是 MSS ?

答案：MSS 全称 Maximun Segment Size。是TCP Header 中的可选项（Options），控制了 TCP 段的大小，不能由单方决定，需要双方协商。

TCP 协议如何控制流量传输速度？

答案：简单讲通过滑动窗口。发送、接收窗口的大小可以用来控制 TCP 协议的流速。窗口越大，同时可以发送、接收的数据就越多，吞吐量也就越大。但是窗口越大，如果数据发生错误，损失也就越大，因为需要重传越多的数据。

TCP每个请求都要有响应，如果一个请求没有收到响应，发送方就会认为这次发送出现了故障，会触发重发。为了提升吞吐量，一个TCP段再没有收到响应时，可以继续发送下一个段。

窗口区域包含两类数据：已发送未确认、未发送（即将发送）

窗口中序号最小的分组如果收到 ACK，窗口就会向右滑动

滑动窗口的size规格可能会变化，需要从ACK数据包实时取最新值

如果最小序号的分组长时间没有收到 ACK，就会触发整个窗口的数据重新发送

HTTP 1.0 、1.1 和 HTTP 2.0 有什么区别？

答案：

1、HTTP 1.0

默认是短连接，每次与服务器交互，都需要新开一个连接。

2、HTTP 1.1

默认持久化连接，建立一次连接，多次请求均由这个连接完成。

3、HTTP 2.0

二进制分帧：在应用层和传输层之间加了一个二进制分帧层，将所有传输的信息分割为更小的消息和帧（frame），并对它们采用二进制格式的编码。减少服务端的压力，内存占用更少，连接吞吐量更大

多路复用：允许同时通过单一的HTTP/2.0连接发起多次的请求-响应消息。

头部压缩：采用了Hpack头部压缩算法对Header进行压缩，减少重复发送。

服务器推送：服务器主动将一些资源推送给浏览器并缓存起来。

HTTP 与 HTTPS 的区别？

答案：HTTPS = HTTP + SSL/TLS

HTTP 采用明文通讯；端口 80

HTTPS 在HTTP的基础上加入了SSL/TLS协议，SSL/TLS依靠证书来验证服务器的身份，并为浏览器和服务器之间的通信加密。端口 443

HTTP 协议为什么要设计成无状态？

答案：HTTP是一种无状态协议，每个请求都是独立执行，请求/响应。这样设计的重要原因是，降低架构设计复杂度，毕竟服务器一旦带上了状态，扩容、缩容、路由都会受到制约。无状态协议不要求服务器在多个请求期间保留每个用户的信息。

但，你可能会问，如果有登录要求的业务怎么办？HTTP协议提供扩展机制，Header中增加了Cookie，存储在客户端，每次请求时自动携带，采用空间换时间机制，满足上下请求关联。虽然浪费了些网络带宽，但是减少了复杂度。当然为了减轻网络负担，浏览器会限制Cookie的大小，不同浏览器的限制标准略有差异，如：Chrome 10，限制最多 180个，每个Cookie大小不能超过 4096 bytes

HTTPS 的访问流程是什么？

答案：

客户端发起一个http请求，告诉服务器自己支持哪些hash算法。

服务端把自己的信息以数字证书的形式返回给客户端（公钥在证书里面，私钥由服务器持有）。

客户端收到服务器的响应后会先验证证书的合法性（证书中包含的地址与正在访问的地址是否一致，证书是否过期）

如果证书验证通过，就会生成一个随机的对称密钥，用证书的公钥加密。

客户端将证书公钥加密后的密钥发送给服务端

服务端用私钥解密，解密之后就得到客户端的密钥

然后，客户端与服务端就靠密钥完成明文加密、安全通信、对称解密

对称加密与非对称加密有什么区别？

答案：

对称加密。加密和解密使用同一个密钥。速度快。常用的如：AES、DES

非对称加密。公钥与私钥配对出现，公钥对数据加密，私钥对数据解密。常用的如：RSA、DSS

TCP 抓包用什么工具？

答案：Wireshark，应用最广泛的网络协议分析器。功能非常丰富

支持数百个协议

实时捕获、离线分析

支持 Windows、Linux、macOS、Solaris、FreeBSD、NetBSD等平台；

界面化操作

支持 Gzip

支持 IPSec

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推荐↓↓↓

网络通信——TCP “三次握手““四次挥手“ 详解

TCP三次握手和四次挥手是面试题的热门考点，它们分别对应TCP的连接和释放过程

前言

TCP三次握手和四次挥手是面试题的热门考点，它们分别对应TCP的连接和释放过程

1.TCP通信包含那几步？

TCP通信过程包括三个步骤：建立TCP连接通道，传输数据，断开TCP连接通道

上图主要包括三部分：*建立连接、传输数据、断开连接。*

1. 建立TCP连接很简单，通过三次握手便可建立连接。
2. 建立好连接后，开始传输数据。TCP数据传输牵涉到的概念很多：超时重传、快速重传、流量控制、拥塞控制等等。
3. 断开连接的过程也很简单，通过四次握手完成断开连接的过程

2.三次握手建立连接

第一次握手： 客户端发送syn包(seq=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认;

第二次握手： 服务器收到syn包，必须确认客户的SYN(ack=x+1)，同时自己也发送一个SYN包(seq=y)，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态;

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

3.传输数据过程

1. 超时重传 超时重传机制用来保证TCP传输的可靠性。每次发送数据包时，发送的数据报都有seq号，接收端收到数据后，会回复ack进行确认，表示某一seq 号数据已经收到。发送方在发送了某个seq包后，等待一段时间，如果没有收到对应的ack回复，就会认为报文丢失，会重传这个数据包。
2. 快速重传 接受数据一方发现有数据包丢掉了。就会发送ack报文告诉发送端重传丢失的报文。如果发送端连续收到标号相同的ack包，则会触发客户端的快速重 传。比较超时重传和快速重传，可以发现超时重传是发送端在傻等超时，然后触发重传;而快速重传则是接收端主动告诉发送端数据没收到，然后触发发送端重传。
3. 流量控制 这里主要说TCP滑动窗流量控制。TCP头里有一个字段叫Window，又叫Advertised-Window，这个字段是接收端告诉发送端自己 还有多少缓冲区可以接收数据。于是发送端就可以根据这个接收端的处理能力来发送数据，而不会导致接收端处理不过来。滑动窗可以是提高TCP传输效率的一种机制。
4. 拥塞控制 滑动窗用来做流量控制。流量控制只关注发送端和接受端自身的状况，而没有考虑整个网络的通信情况。拥塞控制，则是基于整个网络来考虑的。

4.四次挥手断开连接

第一次挥手： 主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但此时主动关闭方还可以接受数据。

第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1(与SYN相同，一个FIN占用一个序号)。

第三次挥手： 被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。

第四次挥手： 主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

5.常见面试问题

【问题1】为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

答：因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【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？

答：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？

答：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。

现在把三次握手改成仅需要两次握手，死锁是可能发生的。作为例子，考虑计算机S和C之间的通信，假定C给S发送一个连接请求分组，S收到了这个分组，并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定，S认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组。可是，C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下，将不知道S 是否已准备好，不知道S建立什么样的序列号，C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，C认为连接还未建立成功，将忽略S发来的任何数据分 组，只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后，重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？

答：TCP还设有一个保活计时器，显然，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分钟发送一次。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。

总结

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