TCP網(wǎng)絡(luò)那點(diǎn)破事！三次握手、四次揮手、TIME-WAIT、HTTP 2.0 ....

作者：微觀技術(shù) 2021-08-26 05:04:38

網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)

今天主要給各位分享TCP網(wǎng)絡(luò)的一些常見(jiàn)知識(shí)點(diǎn)，日常工作或面試會(huì)經(jīng)常遇到。考慮內(nèi)容篇幅不小，建議先收藏，慢慢咀嚼。

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大家好，我是Tom哥~

如果有幫助，也請(qǐng)轉(zhuǎn)給身邊的朋友們，”獨(dú)樂(lè)樂(lè)不如眾樂(lè)樂(lè)“

首先，來(lái)個(gè)目錄，讓大家對(duì)文章內(nèi)容先有個(gè)直觀了解

網(wǎng)絡(luò)的七層模型，簡(jiǎn)單介紹每層的作用?

答案：分為7層，從下到上依次是：

應(yīng)用層：計(jì)算機(jī)用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，常見(jiàn)的協(xié)議有：HTTP、FTP、 SMTP、TELNET
表示層：數(shù)據(jù)的表示、安全、壓縮。將應(yīng)用處理的信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷健?/li>
會(huì)話層：建立和管理本地主機(jī)與遠(yuǎn)程主機(jī)之間的會(huì)話。
傳輸層：定義傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議端口號(hào)，以及流控和差錯(cuò)校驗(yàn)，保證報(bào)文能正確傳輸。協(xié)議有TCP、UDP
網(wǎng)絡(luò)層：路由選擇算法，進(jìn)行邏輯地址尋址，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的最佳路徑選擇。協(xié)議有IP、ICMP
數(shù)據(jù)鏈路層：接收來(lái)自物理層的位流形式的數(shù)據(jù)，并封裝成幀，傳送到上一層;同樣，也將來(lái)自上層的數(shù)據(jù)幀，拆裝為位流形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到物理層。這一層的數(shù)據(jù)叫做幀。
物理層：建立、維護(hù)、斷開(kāi)物理連接。傳輸比特流(將1、0轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)弱來(lái)進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的地后在轉(zhuǎn)化為1、0，也就是我們常說(shuō)的數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換)。這一層的數(shù)據(jù)叫做比特。

TCP 報(bào)文首部有哪些字段?

答案：

源端口、目的端口：各占2個(gè)字節(jié)，表示數(shù)據(jù)從哪個(gè)進(jìn)程來(lái)，去往哪個(gè)進(jìn)程
序號(hào)(Sequence Number)：占4個(gè)字節(jié)，TCP連接中傳送的數(shù)據(jù)每一個(gè)字節(jié)都會(huì)有一個(gè)序號(hào)
確認(rèn)號(hào)(Acknowledgement Number)：占4個(gè)字節(jié)，另一方發(fā)送的tcp報(bào)文段的響應(yīng)
數(shù)據(jù)偏移：頭部長(zhǎng)度，占4個(gè)字節(jié)，表示TCP報(bào)文段的數(shù)據(jù)距離TCP報(bào)文段的起始處有多遠(yuǎn)。
6位標(biāo)志位：
- URG：緊急指針是否有效
- ACK：表示確認(rèn)號(hào)是否有效
- PSH：提示接收端應(yīng)用程序立刻將數(shù)據(jù)從tcp緩沖區(qū)讀走
- RST：表示要求對(duì)方重新建立連接
- SYN：這是一個(gè)連接請(qǐng)求或連接接受的報(bào)文
- FIN：告知對(duì)方本端要關(guān)閉連接
窗口大小：占4個(gè)字節(jié)，用于TCP流量控制。告訴對(duì)方本端的TCP接收緩沖區(qū)還能容納多少字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣對(duì)方就可以控制發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。
校驗(yàn)和：占2個(gè)字節(jié)，由發(fā)送端填充，接收端對(duì)TCP報(bào)文段執(zhí)行CRC算法以檢驗(yàn)TCP報(bào)文段在傳輸過(guò)程中是否損壞。檢驗(yàn)的范圍包括頭部、數(shù)據(jù)兩部分，是TCP可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要保障。
緊急指針：占2個(gè)字節(jié)，一個(gè)正的偏移量。它和序號(hào)字段的值相加表示最后一個(gè)緊急數(shù)據(jù)的下一個(gè)字節(jié)的序號(hào)，用于發(fā)送端向接收端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)。

TCP 三次握手過(guò)程?

答案：目的是同步連接雙方的序列號(hào)和確認(rèn)號(hào)，并交換TCP窗口。

第一次握手，客戶端發(fā)送(seq=x)，客戶端進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)
第二次握手，服務(wù)端響應(yīng)(Seq=y, Ack=x+1)，服務(wù)器端就進(jìn)入SYN_RCV狀態(tài)。
第三次握手，客戶端收到服務(wù)端的確認(rèn)后，發(fā)送(Ack=y+1)，客戶端進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)。當(dāng)服務(wù)器端接收到這個(gè)包時(shí)，也進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)。

為什么是三次握手，而不是兩次或四次?

答案：

如果只有兩次握手，那么服務(wù)端向客戶端發(fā)送 SYN/ACK 報(bào)文后，就會(huì)認(rèn)為連接建立。但是如果客戶端沒(méi)有收到報(bào)文，那么客戶端是沒(méi)有建立連接的，這就導(dǎo)致服務(wù)端會(huì)浪費(fèi)資源。

使用兩次握手無(wú)法建立 TCP 連接，而使用三次握手是建立連接所需要的最小次數(shù)

TCP 四次揮手的過(guò)程?

答案：

第一次揮手：客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接釋放報(bào)文
第二次揮手：服務(wù)端收到連接釋放報(bào)文后，立即發(fā)出確認(rèn)報(bào)文。這時(shí) TCP 連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，即客戶端到服務(wù)端的連接已經(jīng)釋放了，但是服務(wù)端到客戶端的連接還未釋放。表示客戶端已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送了，但是服務(wù)端可能還要給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。
第三次揮手：服務(wù)端向客戶端發(fā)送連接釋放報(bào)文
第四次揮手：客戶端收到服務(wù)端的連接釋放報(bào)文后，立即發(fā)出確認(rèn)報(bào)文。此時(shí)，客戶端就進(jìn)入了 TIME-WAIT 狀態(tài)。注意此時(shí)客戶端到 TCP 連接還沒(méi)有釋放，必須經(jīng)過(guò) 2*MSL(最長(zhǎng)報(bào)文段壽命)的時(shí)間后，才進(jìn)入CLOSED 狀態(tài)。

為什么需要四次揮手?

答案：TCP 是全雙工。一方關(guān)閉連接后，另一方還可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。所以四次揮手，將斷開(kāi)連接分成兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。

客戶端 TIME-WAIT ，為什么要等待 2MSL 才進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)?

答案：MSL 是報(bào)文段在網(wǎng)絡(luò)上最大存活時(shí)間。

確保 ACK 報(bào)文能夠到達(dá)服務(wù)端，從而使服務(wù)端正常關(guān)閉連接。客戶端在發(fā)送完最后一個(gè) ACK 報(bào)文段后，再經(jīng)過(guò) 2MSL，就可以保證本連接持續(xù)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的所有報(bào)文段都從網(wǎng)絡(luò)中消失。這樣就可以使下一個(gè)連接中不會(huì)出現(xiàn)這種舊的連接請(qǐng)求報(bào)文段。

一臺(tái) 8G 內(nèi)存服務(wù)器，可以同時(shí)維護(hù)多少個(gè)連接?

答案：發(fā)送、接收緩存各4k，還要考慮socket描述符，一個(gè)tcp連接需要占用的最小內(nèi)存是8k，那么最大連接數(shù)為：8*1024*1024 K / 8 K = 1048576 個(gè)，即約100萬(wàn)個(gè)tcp長(zhǎng)連接。

什么是拆包?

答案：傳輸層封包不能太大，基于這個(gè)限制，往往以緩沖區(qū)大小為單位，將數(shù)據(jù)拆分成多個(gè) TCP 段(TCP Segment)傳輸。在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，一個(gè)個(gè) TCP 段又被重組成原來(lái)的數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單來(lái)講分為幾個(gè)過(guò)程：拆分——傳輸——重組。

什么是粘包?

答案：解決數(shù)據(jù)太小問(wèn)題，防止多次發(fā)送占用資源。TCP 協(xié)議將它們合并成一個(gè) TCP 段發(fā)送，在目的地再還原成多個(gè)數(shù)據(jù)。

緩沖區(qū)是做什么用?

答案：緩沖區(qū)是在內(nèi)存中開(kāi)辟的一塊區(qū)域，目的是緩沖。當(dāng)應(yīng)用頻繁地通過(guò)網(wǎng)卡收、發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)卡只能一個(gè)一個(gè)處理。當(dāng)網(wǎng)卡忙不過(guò)來(lái)的時(shí)候，數(shù)據(jù)就需要排隊(duì)，也就是將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)。

注意：TCP Segment 的大小不能超過(guò)緩沖區(qū)大小。

TCP 協(xié)議是如何保證數(shù)據(jù)的順序?

答案：

大數(shù)據(jù)拆包成多個(gè)片段，發(fā)送可以保證有序，但是由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，并不能保證它們到達(dá)時(shí)也是有序的，為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)每個(gè)片段用Sequence Number編號(hào)，接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，通過(guò) Seq 進(jìn)行排序。

注意：seq是累計(jì)的發(fā)送字節(jié)數(shù)

TCP 協(xié)議如何解決丟包?

答案：丟包需要重發(fā)，關(guān)鍵是如何判斷有沒(méi)有丟包!

每一個(gè)數(shù)據(jù)包，接收方都會(huì)給發(fā)送方發(fā)響應(yīng)。每個(gè) TCP 段發(fā)送時(shí)，接收方已經(jīng)接收了多少數(shù)據(jù)，用 Acknowledgement Number(簡(jiǎn)寫(xiě)ACK) 表示。

注意：ack是累計(jì)的接收字節(jié)數(shù)，表示這個(gè)包之前的包都已經(jīng)收到了。

什么是 MSS ?

答案：MSS 全稱 Maximun Segment Size。是TCP Header 中的可選項(xiàng)(Options)，控制了 TCP 段的大小，不能由單方?jīng)Q定，需要雙方協(xié)商。

TCP 協(xié)議如何控制流量傳輸速度?

答案：簡(jiǎn)單講通過(guò)滑動(dòng)窗口。發(fā)送、接收窗口的大小可以用來(lái)控制 TCP 協(xié)議的流速。窗口越大，同時(shí)可以發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)就越多，吞吐量也就越大。但是窗口越大，如果數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，損失也就越大，因?yàn)樾枰貍髟蕉嗟臄?shù)據(jù)。

TCP每個(gè)請(qǐng)求都要有響應(yīng)，如果一個(gè)請(qǐng)求沒(méi)有收到響應(yīng)，發(fā)送方就會(huì)認(rèn)為這次發(fā)送出現(xiàn)了故障，會(huì)觸發(fā)重發(fā)。為了提升吞吐量，一個(gè)TCP段再?zèng)]有收到響應(yīng)時(shí)，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)段。

窗口區(qū)域包含兩類數(shù)據(jù)：已發(fā)送未確認(rèn)、未發(fā)送(即將發(fā)送)
窗口中序號(hào)最小的分組如果收到 ACK，窗口就會(huì)向右滑動(dòng)
滑動(dòng)窗口的size規(guī)格可能會(huì)變化，需要從ACK數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)取最新值
如果最小序號(hào)的分組長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到 ACK，就會(huì)觸發(fā)整個(gè)窗口的數(shù)據(jù)重新發(fā)送

HTTP 1.0 、1.1 和 HTTP 2.0 有什么區(qū)別?

答案：

1、HTTP 1.0

默認(rèn)是短連接，每次與服務(wù)器交互，都需要新開(kāi)一個(gè)連接。

2、HTTP 1.1

默認(rèn)持久化連接，建立一次連接，多次請(qǐng)求均由這個(gè)連接完成。

3、HTTP 2.0

二進(jìn)制分幀：在應(yīng)用層和傳輸層之間加了一個(gè)二進(jìn)制分幀層，將所有傳輸?shù)男畔⒎指顬楦〉南⒑蛶?frame)，并對(duì)它們采用二進(jìn)制格式的編碼。減少服務(wù)端的壓力，內(nèi)存占用更少，連接吞吐量更大
多路復(fù)用：允許同時(shí)通過(guò)單一的HTTP/2.0連接發(fā)起多次的請(qǐng)求-響應(yīng)消息。
頭部壓縮：采用了Hpack頭部壓縮算法對(duì)Header進(jìn)行壓縮，減少重復(fù)發(fā)送。
服務(wù)器推送：服務(wù)器主動(dòng)將一些資源推送給瀏覽器并緩存起來(lái)。

HTTP 與 HTTPS 的區(qū)別?

答案：HTTPS = HTTP + SSL/TLS

HTTP 采用明文通訊;端口 80

HTTPS 在HTTP的基礎(chǔ)上加入了SSL/TLS協(xié)議，SSL/TLS依靠證書(shū)來(lái)驗(yàn)證服務(wù)器的身份，并為瀏覽器和服務(wù)器之間的通信加密。端口 443

HTTP 協(xié)議為什么要設(shè)計(jì)成無(wú)狀態(tài)?

答案：HTTP是一種無(wú)狀態(tài)協(xié)議，每個(gè)請(qǐng)求都是獨(dú)立執(zhí)行，請(qǐng)求/響應(yīng)。這樣設(shè)計(jì)的重要原因是，降低架構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，畢竟服務(wù)器一旦帶上了狀態(tài)，擴(kuò)容、縮容、路由都會(huì)受到制約。無(wú)狀態(tài)協(xié)議不要求服務(wù)器在多個(gè)請(qǐng)求期間保留每個(gè)用戶的信息。

但，你可能會(huì)問(wèn)，如果有登錄要求的業(yè)務(wù)怎么辦?HTTP協(xié)議提供擴(kuò)展機(jī)制，Header中增加了Cookie，存儲(chǔ)在客戶端，每次請(qǐng)求時(shí)自動(dòng)攜帶，采用空間換時(shí)間機(jī)制，滿足上下請(qǐng)求關(guān)聯(lián)。雖然浪費(fèi)了些網(wǎng)絡(luò)帶寬，但是減少了復(fù)雜度。當(dāng)然為了減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，瀏覽器會(huì)限制Cookie的大小，不同瀏覽器的限制標(biāo)準(zhǔn)略有差異，如：Chrome 10，限制最多 180個(gè)，每個(gè)Cookie大小不能超過(guò) 4096 bytes

HTTPS 的訪問(wèn)流程是什么?

答案：

客戶端發(fā)起一個(gè)http請(qǐng)求，告訴服務(wù)器自己支持哪些hash算法。
服務(wù)端把自己的信息以數(shù)字證書(shū)的形式返回給客戶端(公鑰在證書(shū)里面，私鑰由服務(wù)器持有)。
客戶端收到服務(wù)器的響應(yīng)后會(huì)先驗(yàn)證證書(shū)的合法性(證書(shū)中包含的地址與正在訪問(wèn)的地址是否一致，證書(shū)是否過(guò)期)
如果證書(shū)驗(yàn)證通過(guò)，就會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)的對(duì)稱密鑰，用證書(shū)的公鑰加密。
客戶端將證書(shū)公鑰加密后的密鑰發(fā)送給服務(wù)端
服務(wù)端用私鑰解密，解密之后就得到客戶端的密鑰
然后，客戶端與服務(wù)端就靠密鑰完成明文加密、安全通信、對(duì)稱解密