Tcp協議基礎和常見面試問題

本篇文章是在看了別人的一些文章後，用於自己記錄使用

在之前先列出一些有關的基礎知識

OSI七層模型與TCP/IP四層模型

TCP/IP模型的層間通信與數據封裝

• 數據包在網絡設備之間進行傳輸的過程中，爲了保證數據包準確地發送到目的地，發送端會對數據包進行封裝（在每一層都加上頭部信息）。
• 在發送的數據包上附加TCP或者是UDP的包頭形成數據段segment，網絡層會添加IP包頭形成數據包Packet，數據鏈路層會給數據添加以太網包頭和FCS包尾，形成數據幀Frame，最後轉換成二進制的比特流通過物理線路傳到接收方。這個操作過程就叫做數據封裝，而對數據包進行處理時通信雙方所遵循和協商好的規則稱爲協議。
• 接收端收到數據後會進行解封裝，從物理層開始，進行與發送端相反的操作，一層層去掉包頭，最終使應用層程序獲取到數據信息，使得發送方和接收方數據通信完成。

TCP

TCP 是一個協議，接下來要了解下

• TCP特點
• TCP和UCP的區別
• TCP 協議頭部中每個字段的信息含義
• TCP 的三次握手和四次揮手

TCP特點

• TCP是面向連接的傳輸層協議
• TCP鏈接是點對點的（套接字）
• TCP提供可靠交付的服務
• TCP提供全雙工通道
• 面向字節流

TCP和UCP的區別

『』	TCP	UDP
是否鏈接	面向連接	面向非鏈接
連接方式	點到點（套接字）	一對一，一對多，多對一，多對多
傳輸可靠性	可靠	不可靠（它只管發送，不管對方是否收到的）
是否有擁塞控制	面向字節流，有擁塞控制	面向報文，無擁塞控制（實時性好，如IP電話，實時視頻會議）
邏輯通信信道	全雙工的可靠信道	不可靠信道
應用場合	傳輸大量數據	少量數據
速度	慢	快
大小	無限制	每個數據包64K

• TCP面向連接（如打電話要先撥號建立連接）;UDP是無連接的，即發送數據之前不需要建立連接
• TCP提供可靠的服務。也就是說，通過TCP連接傳送的數據，無差錯，不丟失，不重複，且按序到達;UDP盡最大努力交付，即不保證可靠交付
• TCP面向字節流，有流量擁塞控制。實際上是TCP把數據看成一連串無結構的字節流;UDP是面向報文的，UDP沒有擁塞控制，因此網絡出現擁塞不會使源主機的發送速率降低（對實時應用很有用，如IP電話，實時視頻會議等）
• 每一條TCP連接只能是點到點的;UDP支持一對一，一對多，多對一和多對多的交互通信
• TCP的邏輯通信信道是全雙工的可靠信道，UDP則是不可靠信道

一. TCP 協議頭部中每個字段的信息含義

Header Length

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

Source Port 和 Destination Port

• Source Port 和 Destination Port 分別佔用16位
• 表示源端口號和目的端口號，用於區分主機中的不同進程
• IP地址用來區分不同主機的，源端口號和目的端口號配合上IP首部中的源IP地址就能確定爲一個TCP連接

32位序號（SequenceNumber）

• 是包的序號，用來解決網絡包亂序（reordering）問題
• 用來標識從TCP 發送端向TCP 接收端的數據字節流
• 一次TCP通信（從TCP連接建立到斷開）過程中某一個傳輸方向上的字節流的每個字節的編號。
• 假設主機A和主機B進行TCP通信，A發送給B的第一個TCP報文段中，序號值被系統初始化爲某個隨機值ISN（Initial Sequence Number，初始序號值）。那麼在該傳輸方向上（從A到B），後續的TCP報文段中序號值將被系統設置成ISN加上該報文段所攜帶數據的第一個字節在整個字節流中的偏移。例如，某個TCP報文段傳送的數據是字節流中的第1025~2048字節，那麼該報文段的序號值就是ISN+1025.另外一個傳輸方向（從B到A）的TCP報文段的序號值也具有相同的含義

32位確認號（Acknowledge number）

• 就是ACK——用於確認收到，用來解決不丟包的問題
• 用作對另一方發送來的TCP報文段的響應。
• 其值是收到的TCP報文段的序號值加1。
• 只有ACK=1時，確認序號字段纔有效，Ack=Seq+1
• 假設主機A和主機B進行TCP通信，那麼A發送出的TCP報文段不僅攜帶自己的序號，而且包含對B發送來的TCP報文段的確認號。反之，B發送出的TCP報文段也同時攜帶自己的序號和對A發送來的報文段的確認號。

DataOffset(數據偏移（即首部長度）)

• 佔4個字節，它指出TCP報文段的數據起始處距離TCP報文段的起始處有多遠
• 給出頭部佔32比特的數目
• 沒有任何選項字段的TCP頭部長度爲20字節（5x32=160比特）；最多可以有60字節的TCP頭部。

Reserved（保留字段）

• 佔6位，保留爲今後使用，但目前應置爲0

TCPFlag(標誌位)

• 佔6位，分別表示6個標誌；它們可多個同時被設置爲1，主要是用於操控TCP的狀態機，分爲緊急URG,確認ACK,推送PSH(Push),復位RST(ReSeT),同步SYN,終止FIN(FINis)，下面會有詳細說明

windows size(窗口大小)

• 佔16比特。
• 是TCP流量控制的一個手段。這裏說的窗口，指的是接收通告窗口（Receiver Window，RWND）。它告訴對方本端的TCP接收緩衝區還能容納多少字節的數據，這樣對方就可以控制發送數據的速度。

Checksum（檢驗和）

• 佔2字節。
• 檢驗的範圍包括：TCP頭部和TCP數據這兩部分。
• 在計算檢驗和時，要在TCP報文段的前面加上12字節的僞首部

UrgentPointers（緊急指針字段）：

• 佔16位，指出在本報文段中緊急數據共有多少個字節（緊急數據放在本報文段數據的最前面）。
• 它是一個偏移量，和序號字段中的值相加表示緊急數據最後一個字節的序號

Option（選項字段）

• TCP頭部的最後一個選項字段（options）是可變長的可選信息。
• 0：選項表結束（1 byte）
• 1：無操作（1 byte）用於選項字段之間的字邊界對齊。
• 2：最大報文段長度（4 byte，Maximum Segment Size，MSS）通常在創建連接而設置SYN標誌的數據包中指明這個選項，指明本端所能接收的最大長度的報文段。通常將MSS設置爲（MTU-40）byte，攜帶TCP報文段的IP數據報的長度就不會超過MTU，從而避免本機發生IP分片。只能出現在同步報文段中，否則將被忽略。
• 3：窗口擴大因子（4 byte，wscale），取值0-14。用來把TCP的窗口的值左移的位數，使窗口值乘倍。只能出現在同步報文段中，否則將被忽略。這是因爲現在的TCP接收數據緩衝區（接收窗口）的長度通常大於65535 byte。
• 4：sackOK—發送端支持並同意使用SACK選項。
• 5：SACK實際工作的選項。
• 8：時間戳（10 byte，TCP Timestamps Option，TSopt）
  發送端的時間戳（Timestamp Value field，TSval，4 byte）
  時間戳回顯應答（Timestamp Echo Reply field，TSecr，4 byte）
• 這部分最多包含40字節，因爲TCP頭部最長是60字節（其中還包含前面討論的20字節的固定部分）

TCPFlag （每一位佔 1 bit）

• URG(urgent緊急)：當URG= 1 時，表示TCP 包的緊急指針域有效，用來保證TCP連接不被中斷，並督促中間層設備要儘快處理這些數據（它告訴系統此報文段中有緊急數據，應儘快傳送(相當於高優先級的數據)）
• ACK(acknowledgement確認)：當ACK= 1 時，表示確認號字段有效，當ACK= 0 時，確認號無效
• PSH(push傳送)：這個標誌位標識push操作，push操作就是在數據包到達接收端以後，立即傳送給應用程序，而不是在緩衝區排隊
• RST(reset重置)：當RST= 1 時，表明TCP連接需要釋放連接，然後再重新建立連接，也被用來拒絕錯誤和非法的數據包
• SYN(synchronous建立聯機)：表示同步序號，用來建立連接。SYN標誌位和ACK標誌位搭配使用，當連接請求的時候，SYN=1,ACK=0;連接被響應的時候，AYN=1,ACK=1。這個標誌的數據包常常被用來進行端口掃描。掃描者發送一個只有SYN的數據包，如果對方主機響應了一個數據包回來，就表明這臺主機存在這個端口，但是由於這種掃描只是進行TCP三次握手的第一次握手，因此這種掃描的成功表明被掃描的機器很不安全，一臺安全的主機將會強制要求一個連接嚴格的進行TCP的三次握手
• FIN(finish結束)：表示發送端已經達到數據末尾，也就是說雙方數據傳送完成，沒有數據可以傳送了，發送FIN 標誌位的TCP數據包後，連接將斷開，要求釋放運輸連接

二、TCP 3次握手和4次揮手

TCP 3次握手

TCP 3次握手的目的作用

• TCP是面向連接的，無論哪一方向另一方發送數據之前，都必須現在雙方之間建立一條連接。在TCP/IP協議中，TCP協議提供可靠的連接服務
• 所謂三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務器總共發送3個包。
• 三次握手的目的是連接服務器指定端口，建立TCP連接,並同步連接雙方的序列號和確認號並交換 TCP 窗口大小信息
• 在socket編程中，客戶端執行connect()時。將觸發三次握手。

• 第一次握手：建立連接，客戶端發送連接請求報文(將標誌位SYN置爲1，隨機產生一個值seq=J)到服務器，並進入SYN_SENT（請求鏈接狀態），等待服務器確認
• 第二次握手：服務器收到數據包後通過標誌位SYN=1 知道客戶端請求建立連接，服務端並將標誌位SYN和ACK都置爲1，ack=J+1,隨機產生一個值seq=K,並將數據包發送給客戶端以確認連接請求，服務端進入SYN_RCVD 狀態（正在等待處理的請求數據）
• 三次握手：客戶端收到服務器的數據包後，檢查ack是否爲J+1,ACK是否爲1，如果正確則將標誌位ACK置爲1，ack=K+1,並將該數據包發送給服務端，服務端檢查ack是否爲K+1,ACK是否爲1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務器進入ESTABLISHEN（TCP鏈接成功）狀態，完成三次握手，隨後客戶端與服務端之間可以開始傳輸數據

需要注意的是：

• （A）不要將確認序號ack與標誌位中的ACK搞混了。
• （B）確認方ack=發起方Seq+1，兩端配對。

SYN攻擊：

在三次握手過程中，Server發送SYN-ACK之後，收到Client的ACK之前的TCP連接稱爲半連接（half-open connect），此時Server處於SYN_RCVD狀態，當收到ACK後，Server轉入ESTABLISHED狀態。SYN攻擊就是Client在短時間內僞造大量不存在的IP地址，並向Server不斷地發送SYN包，Server回覆確認包，並等待Client的確認，由於源地址是不存在的，因此，Server需要不斷重發直至超時，這些僞造的SYN包將產時間佔用未連接隊列，導致正常的SYN請求因爲隊列滿而被丟棄，從而引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。SYN攻擊時一種典型的DDOS攻擊，檢測SYN攻擊的方式非常簡單，即當Server上有大量半連接狀態且源IP地址是隨機的，則可以斷定遭到SYN攻擊了

四次揮手

• 四次揮手（Four-Way Wavehand）即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務端總共發送4個包以確認連接的斷開。
• 在socket編程中，這一過程由客戶端或服務端任一方執行close來觸發
• 由於TCP連接時全雙工的，因此每個方向都必須要單獨進行關閉
• 這一原則是：當一方完成數據發送任務後，發送一個FIN來終止這一方向的連接
• 收到一個FIN只是意味着這一方向上沒有數據流動了，即不會再收到數據了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發送數據，直到這一方向也發送了FIN
• 首先進行關閉的一方將執行主動關閉，而另一方則執行被動關閉

揮手過程

• 第一次揮手： client —> server 發送一個FIN，用來關閉 client -> server 的數據傳送，client進入FIN_WAIT_1狀態
• 第二次揮手. server 收到FIN後，還可以繼續發送數據，所以發送ACK給server，確認序號爲收到序號+1(與SYN相同，一個FIN佔用一個序號)，server進入CLOSE_WAIT狀態
• 第三次揮手. server發送一個FIN，server -> client 的數據傳送，server 進入LAST_ACK 狀態
• 第四次揮手. client收到FIN後，client 進入TIME_WAIT 狀態，接着發送一個ACK給Server,確認序號爲收到序號+1，server進入CLOSED 狀態，完成四次揮手

常見問題

【問題1】爲什麼建立連接是三次握手，而關閉連接卻是四次揮手呢？

• 因爲服務端在LISTEN狀態下，收到建立連接請求的SYN報文後，把ACK和SYN放在一個報文裏發送給客戶端。
• 而關閉連接時，當收到對方的FIN報文時，僅僅表示對方不再發送數據了但是還能接收數據，己方也未必全部數據都發送給對方了，所以己方可以立即close，也可以發送一些數據給對方後，再發送FIN報文給對方來表示同意現在關閉連接，因此，己方ACK和FIN一般都會分開發送

【問題2】爲什麼TIME_WAIT狀態需要經過2MSL(最大報文段生存時間)才能返回到CLOSE狀態？

• 雖然按道理，四個報文都發送完畢，我們可以直接進入CLOSE狀態了，但是我們必須假象網絡是不可靠的，有可以最後一個ACK丟失。
• 所以TIME_WAIT狀態就是用來重發可能丟失的ACK報文。在Client發送出最後的ACK回覆，但該ACK可能丟失。
• Server如果沒有收到ACK，將不斷重複發送FIN片段。所以Client不能立即關閉，它必須確認Server接收到了該ACK。
• Client會在發送出ACK之後進入到TIME_WAIT狀態。
• Client會設置一個計時器，等待2MSL的時間。如果在該時間內再次收到FIN，那麼Client會重發ACK並再次等待2MSL。所謂的2MSL是兩倍的MSL(Maximum Segment Lifetime)。
• MSL指一個片段在網絡中最大的存活時間，2MSL就是一個發送和一個回覆所需的最大時間。
• 如果直到2MSL，Client都沒有再次收到FIN，那麼Client推斷ACK已經被成功接收，則結束TCP連接。

【問題3】爲什麼不能用兩次握手進行連接？

• 3次握手完成兩個重要的功能，既要雙方做好發送數據的準備工作(雙方都知道彼此已準備好)，也要允許雙方就初始序列號進行協商，這個序列號在握手過程中被髮送和確認。
• 3次握手主要是爲了防止已失效的請求連接報文忽然又傳送到了，從而產生錯誤。
• 假定A向B發送一個連接請求，由於一些原因，導致A發出的連接請求在一個網絡節點逗留了比較多的時間。此時A會將此連接請求作爲無效處理 又重新向B發起了一次新的連接請求，B正常收到此連接請求後建立了連接，數據傳輸完成後釋放了連接。如果此時A發出的第一次請求又到達了B，B會以爲A又發起了一次連接請求，如果是兩次握手：此時連接就建立了，B會一直等待A發送數據，從而白白浪費B的資源。 如果是三次握手：由於A沒有發起連接請求，也就不會理會B的連接響應，B沒有收到A的確認連接，就會關閉掉本次連接

【問題4】三次握手的第三個ACK包丟失

• 當Client端收到Server的SYN+ACK應答後，其狀態變爲ESTABLISHED，併發送ACK包給Server；
• 如果此時ACK在網絡中丟失，那麼Server端該TCP連接的狀態爲SYN_RECV，並且依次等待3秒、6秒、12秒後重新發送SYN+ACK包，以便Client重新發送ACK包。
• server重發SYN+ACK包的次數，可以通過設置/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries修改，默認值爲5。
• 如果重發指定次數後，仍然未收到ACK應答，那麼一段時間後，Server自動關閉這個連接。
• 但是Client認爲這個連接已經建立，如果Client端向Server寫數據，Server端將以RST包響應，方能感知到Server的錯誤

【問題5】如果已經建立了連接，但是客戶端突然出現故障了怎麼辦？

• TCP還設有一個保活計時器，客戶端如果出現故障，服務器不能一直等下去，白白浪費資源。
• 服務器每收到一次客戶端的請求後都會重新復位這個計時器，時間通常是設置爲2小時，若兩小時還沒有收到客戶端的任何數據，服務器就會發送一個探測報文段，以後每隔75秒鐘發送一次。若一連發送10個探測報文仍然沒反應，服務器就認爲客戶端出了故障，接着就關閉連接。