计算机网络面经之TCP协议

Posted 2021-10-04 梅见西梅

1、为什么要三次握手

【 一句话，主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。 】

不能是两次：客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了，由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到（滞留）。此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接（正常传输）。此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达了服务器，服务器接着返回第一次请求的响应，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。

如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

不能是四次： 如果是四次握手，即第三次只是传输的响应报文段，第四次才传输数据。本来第三次握手就能传输数据了，这属于画蛇添足，也浪费了资源。 （可以但没必要）

2、为什么要四次挥手

【断开连接时，服务器端可能还在发数据，因此不能将响应的ACK和断开连接的请求一起发送】

​ 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。故需要四步挥手。

​ 服务端收到客户端的 FIN 标志，知道客户端想要断开这次连接了，但是，我服务端，我还想发数据呢？我等到发送完了所有的数据后，会发送一个 FIN 段来关闭此方向上的连接。接收方发送 ACK确认关闭连接。

3、为什么挥手要等待2MSL

【为了保证客户端发送的最后一个报文能成功到达服务器，客户端能够在2MSL中接收到这个服务端重传的报文（最后一次握手，客户端发送完最后一个报文后，如果2MSL内没有服务端没有收到，就会触发超时重传，在2MSL内就一定能收到这个重传请求）】

​ 为了保证客户端发送的最后一个ACK报文段能够到达服务器。这个ACK报文段可能丢失（客户端发的，第四次握手），因而使在Last-ACK状态的服务器收不到客户端已发送的FIN+ACK报文段的确认。服务器就会超时重传这个报文段，而客户端就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN-ACK报文段。接着客户端重传一个确认，重新启动2MSL计时器。最后客户端和服务器端都能正常进入到CLOSED状态。

​ 如果服务器端在TIME-WAIT状态下不等待一段时间，而是在发送完ACK报文段就立即释放连接，那么客户端就无法收到服务器重传的FIN_ACK报文段，因而也就不会再发送一个报文段，这样服务器就无法进入CLOSED状态。

4、大量TIME_WAIT产生的原因和解决办法

产生原因：对于一些Web服务器，断开连接的是Server端，这样Server端就会进入TIME_WAIT状态，当在高并发的Web服务器中存在大量的连接，当断开时会产生大量的TIME_WAIT。

危害：在socket的TIME_WAIT结束之前，该socket会一直占用本地端口，在高并发和短连接的交互系统中，大量的TIME_WAIT会把可用的端口都占用且系统未能及时回收，就会 出现无法向服务端创建新的socket连接的情况 。

解决方法：将socket进行复用，允许TIME_WAIT的socket重新用于TCP的连接，将短链接设置为长链接

【一句话：高并发的服务器中有大量连接，而且主动断开连接的一方是服务器，因此在断开时会出现大量TIME_WAIT】

5、TCP怎么保证可靠传输

可靠是指：不重复、不丢失、不失序

• 确认和重传：接收方收到报文就会确认，发送方发送一段时间后没有收到确认就会重传。

• 数据校验：TCP报文头有校验和，用于校验报文是否损坏。

• 数据合理分片和排序：tcp会按最大传输单元(MTU)合理分片，接收方会缓存未按序到达的数据，重新排序后交给应用层。而UDP：IP数据报大于1500字节，大于MTU。这个时候发送方的IP层就需要分片，把数据报分成若干片，是的每一片都小于MTU。而接收方IP层则需要进行数据报的重组。由于UDP的特性，某一片数据丢失时，接收方便无法重组数据报，导致丢弃整个UDP数据报。

• 流量控制：当接收方来不及处理发送方的数据，能通过滑动窗口，提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。

• 拥塞控制：当网络拥塞时，通过拥塞窗口，减少数据的发送，防止包丢失。

  【一句话：确认重传、合理分片、数据校验、流量控制、拥塞控制】

6、TCP流量控制

流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。TCP 中采用滑动窗口来进行传输控制，滑动窗口的大小意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于接收数据。发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为 0 时，发送方一般不能再发送数据报。

【一句话：控制发送方发送速率，保证接收方能接受】

7、TCP滑动窗口

窗口是缓存的一部分，用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。 （接收方控制发送方窗口）

发送窗口内的字节都允许被发送，接收窗口内的字节都允许被接收。 接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认，例如接收窗口已经收到的字节为{31, 34, 35}，其中{31}按序到达，而 {34, 35} 就不是，因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

8、TCP拥塞控制

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像，但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。 TCP 主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口（cwnd）的状态变量，注意拥塞窗口与发送方窗口的区别：拥塞窗口只是一个状态变量，实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

【流量控制：控制接收方；拥塞控制：控制整个网络】

(1)慢开始与拥塞避免

慢开始：发送的最初执行慢开始，令 cwnd = 1，发送方只能发送 1 个报文段；当收到确认后，将 cwnd 加倍，因此之后发送方能够发送的报文段数量为：2、4、8 …（拥塞窗口每次都2倍增长）注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍，这样会让 cwnd 增长速度非常快，从而使得发送方发送的速度增长速度过快，网络拥塞的可能性也就更高。

拥塞避免：设置一个慢开始门限 ssthresh，当 cwnd >= ssthresh 时，进入拥塞避免，每个轮次只将 cwnd 加 1。如果出现了超时，则令 ssthresh = cwnd / 2，然后重新执行慢开始。

(2)快重传与快恢复

快重传： 就是使发送方尽快进行重传,而不是等超时重传计时器超时再重传。在发送方，如果收到三个重复确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2，则 M3 丢失，立即重传 M3。

快恢复： 在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复，令 ssthresh = cwnd / 2 ，cwnd = ssthresh，注意到此时直接进入拥塞避免。

注意：（1）慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值，而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1，而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。 (2)快重传指的是发送方的动作（重传报文），而不是对拥塞窗口的改变；而快恢复指的是对拥塞窗口的变化。