TCP/IP協議十五問

一、什麼是網路層？#

TCP 網路分層一般分為四層，當然也有說法是五層

應用層（HTTP）：封裝資料包
傳輸層（TCP）：增加 TCP 頭部，包含端口號等資訊
網路層（IP）：增加 IP 頭部，包含 IP 地址等資訊
網路介面層（ARP）：增加以太網頭部，包含 MAC 地址等資訊

網路分層的優點：

各層獨立：限制了依賴關係的範圍，各層之間使用標準化的介面，各層不需要知道上下層是如何工作的，增加或者修改一個應用層協議不會影響傳輸層協議；
靈活性：比如路由器不需要應用層和傳輸層，分層以後路由器就可以只用加載更少的幾個協議層
易於測試和維護：提高了可測試性，可以獨立的測試特定層，某一層有了更好的實現可以整體替換掉；
能促進標準化：各層職能清晰，方便標準化；

二、TCP 的三次握手？為什麼不是兩次或者四次？#

客戶端向服務端發送 SYN，seq = x；
服務端向客戶端發送 SYN，seq = y, ACK = x+1;
客戶端向服務端發送 ACK = y+1；

兩次不行因為如果只做兩次無法確定服務端的接收能力；
兩次握手後建立連接，有可能導致由於時延產生的多次連接建立，導致資源浪費；
四次的話沒必要，會導致資源浪費。

三、TCP 的四次揮手？為什麼不能是三次？#

客戶端向服務端發送 FIN，seq = x+2，ACK = y+1；
服務端向客戶端發送 ACK = x+3；
服務端發送完剩餘數據後，再向客戶端發送 FIN，seq = y+1；
客戶端向服務端發送 ACK = y+2；

三次不行，會導致服務端的 ACK 和 FIN 將延遲發送，如果延遲時間過長，客戶端將再次重發斷開請求，導致資源浪費。

四、為什麼 SYN/FIN 不包含數據卻要消耗一個序列號？#

凡是需要對端確認的，一定消耗 TCP 報文的序列號；

五、什麼是半連接隊列？什麼是 SYN Flood 攻擊？#

客戶端大量偽造 IP 發送 SYN 包，服務端回復的 ACK+SYN 去到了一個（未知）的 IP 地址，勢必會造成服務端大量的連接處於 SYN_RCVD 狀態，而伺服器的半連接隊列大小也是有限的，如果半連接隊列滿，也會出現無法處理正常請求的情況。

六、TCP 快速打開的原理？#

TCP 快速打開（TCP Fast Open，TFO）
TFO 是在原來 TCP 協議上的擴展協議，它的主要原理就在發送第一個 SYN 包的時候就開始傳數據了，不過他要求當前客戶端之前已經完成過正常的三次握手。

快速打開分為兩個階段：請求 Fast Open Cookie 和真正開始 TCP Fast Open

TCP Fast Open 的優勢
可以利用握手去除一個往返的 RTT 和防止 SYN-Flood 之類的攻擊

七、TCP 報文中的時間戳有什麼用？#

TCP Timestamps Option 由四部分構成：類別、長度、發送方時間戳、回顯時間戳

第一用於計算 RTT，第二防止序列號的回環問題，即使使用的序列號相同，也可以通過時間戳來對不同的包進行區分。

八、TCP 的超時重傳時間是如何計算的？#

超時重傳時間：Retransmission TimeOut，簡稱 RTO

經典解決方法
適用於 RTT 較小的情況，SRTT (smoothed round trip time)。
利用最新一次的 RTT 對 SRTT 時間進行更新
SRTT = α × SRTT + (1-α）× RTT

九、TCP 流量控制？#

把發送的數據放到發送緩衝區，把接收的數據放到接收緩衝區。通過實際接收緩衝區的大小，控制發送端的發送。
接收端會告知客戶端自己接收窗口，也就是接收緩衝區中空閒的部分。

發送端的數據包的狀態：

已發送且已確認
已發送未確認的
未發送但接收端可以接受的（接收端有空間接受）
未發送且不可以發送（接收端沒空間接受）

發送端速度較慢：存在大量待發送的字節；
發送端速度較快：存在大量待確認的字節；

十、TCP 的 keep-alive 原理？#

定時發送探測包來探測連接的對端是否存活，但是 keepalive 默認設置的時間過長，7200s 沒有實際意義，一般在應用層做心跳機制。

那什麼是心跳機制？
定時向服務端發送消息，能響應服務端的消息

長連接業務場景

遊戲
即時通訊
在沒有心跳包機制的情況下，網路若掉線，對方不可知；
如果客戶端掉線，服務端不知道，還維持連接，就是額外的無效系統開銷。

為什麼需要心跳包：

在 NAT、防火牆網路中裝設備，保存信道記錄；
及時發現對方網路斷開，以便及時採取措施；

如何實現心跳包

TCP 層面的心跳包，只能夠驗證網路連接是否異常；
應用層層面的心跳包，驗證服務接口是否異常；

為什麼不採用 TCP 層面？
應用層的連接如果成功，那麼 TCP 所在的傳輸層必定成功。

十一、TCP 中的端口號？#

源端口：本地端口
目標端口：伺服器端口
最大 65536 個，所以是 0-65535

以下是一些常見的端口號：

21：FTP（檔案傳輸協議）端口，用於檔案上傳和下載。
22：SSH（安全外殼協議）端口，用於安全遠程登錄和執行命令。
25：SMTP（簡單郵件傳輸協議）端口，用於電子郵件傳輸。
80：HTTP（超文本傳輸協議）端口，用於 Web 瀏覽器訪問網站。
110：POP3（郵局協議版本 3）端口，用於電子郵件客戶端接收郵件。
143：IMAP（互聯網消息訪問協議）端口，用於電子郵件客戶端接收郵件。
443：HTTPS（超文本傳輸安全協議）端口，用於安全的 Web 瀏覽器訪問網站。
3306：MySQL 數據庫端口，用於數據存儲和檢索。
3389：Microsoft 遠程桌面端口，用於遠程管理和控制計算機。
這只是一小部分常用的端口號，實際上有許多其他端口號可以用於各種不同的通信協議和應用程序。

十二、TCP 場景問題#

問題 1
AB 兩個主機之間建立了一個 TCP 連接，A 主機發給 B 主機兩個 TCP 報文，大小分別是 500 和 300，第一個報文的序列號是 200，那麼 B 主機接收兩個報文後，返回的確認號是多少？
500+300+200 = 1000

問題 2
收到 IP 數據包解析後，如何知道應該投遞到上層中的哪個協議（是 TCP 還是 UDP）？
IP 報文頭中有協議字段，TCP6，UDP17

問題 3
TCP 提供了一種字節流服務，而收發雙方都不保持記錄的邊界，應用程序應該如何提供他們自己的記錄標識呢？

應用程序使用自己約定的規則來標識消息的邊界，比如有一些使用回車＋換行（“\r\n”），比如 Redis 的通信協議；

十三、TCP 和 UDP 的區別？#

TCP 是一個面向連接的、可靠的、基於字節流的傳輸層協議；
UDP 是一個面向無連接的傳輸層協議；

面向連接：指的是客戶端和服務端的連接，在通信前通過三次握手建立連接；
可靠性：

TCP 有狀態：TCP 會精確記錄那些數據發送了，哪些數據已被接收，那些數據未被接收，並且保證數據包按序到達，不允許差錯；
TCP 可控制：如果遇到丟包或者網路不佳，TCP 會根據具體情況自行調整，控制自己的發送速度或者重發。

十四、Telnet 和 netstat 的用法#

檢查遠端端口是否打開，其語法：telnet [ip] [port]
主要用於查詢網路情況，如： netstat -ano

十五、Tcpdump 和 wireshark#

用於抓包，例如可以查看三次握手和四次揮手等