TCP网络那点破事!三次握手、四次挥手、TIME-WAIT、HTTP 2.0

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原作者：微观技术

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