jsliang 求职系列 - 27 - TCP

一 目录

不折腾的前端，和咸鱼有什么区别

二 前言

面试官问：你知道三次握手和四次挥手吗，能不能讲讲其中过程？为什么不能两次握手？还有为什么要四次挥手才断开连接呢？

三 UDP 连接

用户数据包协议（User Datagram Protocol），简称 UDP，是基于 IP 之上开发能和应用打交道的协议。

UDP 中一个最重要的信息是端口号，端口号其实就是一个数字，每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号。

通过端口号 UDP 就能把指定的数据包发送给指定的程序了，所以通过 IP 地址信息把数据包发送给指定的电脑，而 UDP 通过端口号把数据包分发给正确的程序。

UDP 传输缺陷：

• 数据包在传输过程容易丢失
• 大文件传输中，UDP 并不知道如何组成这些数据包，不知道如何还原成完整的文件。

虽说 UDP 不能保证数据可靠性，但是传输速度却非常快，所以 UDP 会应用在一些关注速度、但不那么严格要求数据完整性的领域，如在线视频、互动游戏等。

四 TCP 连接

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

TCP 相对于 UDP 有 2 个特点：

• 对于数据包的丢失，建立重传机制
• TCP 引入数据包排序机制，用来保证把乱序的数据包组合成一个完整的文件

在一个 TCP 连接中，会有 3 个过程。

4.1 建立连接阶段

这个阶段是通过 “三次握手” 来建立客户端和服务器之间的连接。

TCP 提供面向连接的通讯传输。面向连接是指数据通讯开始先做好两端之间的准备工作。

所谓 三次握手，是指在建立一个 TCP 连接时，客户端和服务器总共要发送 3 个数据包来确认连接的建立。

三次握手主要作用是：

• 确认双方的接收能力和发送能力
• 指定自己的初始化序列号，为后面的可靠性做准备

4.1.1 三次握手过程

刚开始客户端处于 Closed 的状态，服务器处于 Listen 状态。

1. 客户端发送到服务器。客户端发送 SYN 报文给服务器，并且指明客户端初始化序列号为 ISN(c)，即以 SYN=1, seq=x 的形式发送过去。此时客户端处于 SYN_SEND 状态。
2. 服务器发送给客户端。服务器收到客户端的 SYN 和 ISN(c)，也发送一个 SYN 回去，同时设置 ACK = ISN(c) + 1 以及指明服务器初始化序列号为 ISN(s)，即以 SYN=1, ACK=x+1， seq=y 的形式发送给客户端。
3. 客户端发送到服务器。客户端收到服务器发送的消息后，设置 ACK = ISN(s) + 1，将自身的 ISN(c) + 1，即以 ACK=y+1, seq=x+1 的形式发送给服务器。此时客户端处于 ESTABLISHED 阶段，服务器收到报文，也处于 ESTABLISHED 阶段，双方建立了连接。

4.1.2 问题：两次握手不行吗？

三次握手的目的：

1. 客户端发送数据给服务器，服务器确认自己可以接受客户端的请求。
2. 服务器发送数据给客户端，客户端确认自己可以发送数据给服务器，也可以接受到服务器的请求。
3. 客户端发送数据给服务器，服务器确认自己可以发送数据给客户端。

如果采用两次握手，客户端发送数据给服务器，服务器确认后就当连接开始：

1. 客户端发送一次请求给服务器……指定时间后没响应再发了一个
2. 服务器先接收到后一个建立连接的请求，然后前一个建立连接的请求，因为网络延迟等问题，在第二个之后达到了
3. 服务器认为第二个请求是最新发的，于是向客户端发送确认报文段，同意建立连接，于是连接建立了（两次握手）
4. 这时候客户端还在等待最新的请求连接（第二次请求），自动忽略服务器发送的关于第一个请求连接的响应，也不发送数据
5. 服务器一直等待客户端发送数据，服务器资源被占用

简单来说：

客户端 -> 1 -> 服务器
客户端 -> 2 -> 服务器
服务器 get 1
服务器 get 2
服务器 reply 1
客户端 wait 2
gg

所以才需要三次握手而不是两次握手。

4.1.3 问题：三次握手过程中可以携带数据吗？

答案：第三次握手的时候可以携带，第一第二次不可以携带。

原因：如果第一次可以携带数据的话，有可能是恶意攻击服务器。这时候释放大量的数据，不理会服务器的的承受能力，让服务器花费很多时间、内存空间接收报文。

第三次握手的时候，客户端处于 ESTABLISHED 状态了，它可以建立连接并且知道服务器的接收、发送能力是正常的，所以可以携带数据了。

4.2 传输数据阶段

此时客户端和服务器都处于 ESTABLISHED 状态。

这个阶段中，接收端需要对每个数据包进行确认操作。即接收端在接收到数据包之后，需要发送确认数据包给发送端。

如果发送端在规定时间内没有接收到接收端的反馈确认消息，那么判断丢包（数据包丢失），从而触发自身的重发机制。

一个大的文件在传输过程中会被拆分为多个小的数据包，接收端按照 TCP 头中的序号进行排序，保证组成完整的数据。

4.3 断开连接阶段

数据传输完毕之后，需要终止连接，通过 四次挥手 来保证双方都能断开连接。

4.3.1 四次挥手过程

• 客户端发送给服务器。客户端以 FIN=1, seq=u 的形式发送给服务器，表示需要关闭客户端和服务器的数据传输。此时客户端处于 FIN_WAIT 状态。
• 服务器发送给客户端。服务器收到信息，先返回 ACK 给客户端，即以 ACK=1, seq=v, ack=u+1 的形式返回给客户端，表示收到客户端报文了。此时服务器处于 CLOST_WAIT 状态。
• 服务器发送给客户端。服务器等待一会，看客户端还有没有数据没发过来，等处理完这些数据之后，也想断开连接了，于是发送 FIN 给客户端，即以 FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 的形式发送给客户端。此时服务器处于 LAST_ACK 状态。
• 客户端发送给服务器。客户端收到 FIN 之后，返回 ACK 报文作为应答，即以 ACK=1, seq=w+1 的形式发送给服务器。此时客户端处于 TIME_WAIT 状态。

过一阵子之后，客户端确保服务器收到自己的 ACK 报文了，则变成 CLOSED 状态。服务器接受到 ACK 报文之后，就也处于 CLOSED 状态了。

4.3.2 问题：为什么需要四次挥手

因为服务器接收到客户端的关闭请求之后。

如果有一些数据因为网络延迟等问题没有发送到，那么它直接关闭会导致这些数据没有接收到；亦或者服务器也有一些数据要发送给客户端，要确保这些数据发送完。

我们知道 TCP 是个可靠的棒小伙，所以它才会第一次回复客户端收到关闭连接的请求了，第二次回复客户端你发送的数据应该没延迟了，我也发送完我要发送的数据了，可以关闭了。

最后客户端接收到了，回复告诉服务器它也可以关闭了，然后过一阵子确保服务器接收到它发的 ACK 报文之后，也处于 CLOSED 状态了。

五 TCP 和 UDP 的区别

• TCP 是面向连接的，UDP 是无连接的即发送数据前不需要先建立链接。
• TCP 提供可靠的服务。也就是说，通过 TCP 连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达；UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付。并且因为 TCP 可靠，面向连接，不会丢失数据因此适合大数据量的交换。
• TCP 是面向字节流，UDP 面向报文，并且网络出现拥塞不会使得发送速率降低（因此会出现丢包，对实时的应用比如 IP 电话和视频会议等）。
• TCP 只能是 1对1 的，UDP 支持 1对1，1对多。
• TCP 的首部较大为 20 字节，而 UDP 只有 8 字节。
• TCP 是面向连接的可靠性传输，而 UDP 是不可靠的。

六 参考文献

• 面试官，不要再问我三次握手和四次挥手【阅读建议：1hour】
• 关于三次握手与四次挥手面试官想考我们什么【阅读建议：20min】
• 通俗大白话来理解TCP协议的三次握手和四次分手【阅读建议：20min】
• TCP协议详解【阅读建议：40min】
• 面试时，你被问到过 TCP/IP 协议吗?【阅读建议：20min】
• “三次握手，四次挥手”你真的懂吗？【阅读建议：20min】