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前言

TCP協(xié)議是大廠面試必問的知識(shí)點(diǎn)。整理了15道非常經(jīng)典的TCP面試題，希望大家都找到理想的offer呀

1. 講下TCP三次握手流程

開始客戶端和服務(wù)器都處于CLOSED狀態(tài)，然后服務(wù)端開始監(jiān)聽某個(gè)端口，進(jìn)入LISTEN狀態(tài)

• 第一次握手(SYN=1, seq=x)，發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入 SYN_SEND 狀態(tài)
• 第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1)， 發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入 SYN_RCVD 狀態(tài)。
• 第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)，發(fā)送完畢后，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)，TCP 握手，即可以開始數(shù)據(jù)傳輸。

2.TCP握手為什么是三次，不能是兩次?不能是四次?

TCP握手為什么是三次呢?為了方便理解，我們以談戀愛為例子：兩個(gè)人能走到一起，最重要的事情就是相愛，就是我愛你，并且我知道，你也愛我，接下來我們以此來模擬三次握手的過程：

為什么握手不能是兩次呢?

如果只有兩次握手，女孩子可能就不知道，她的那句我也愛你，男孩子是否收到，戀愛關(guān)系就不能愉快展開。

為什么握手不能是四次呢?

因?yàn)槲帐植荒苁撬拇文?因?yàn)槿我呀?jīng)夠了，三次已經(jīng)能讓雙方都知道：你愛我，我也愛你。而四次就多余了。

3. 講下TCP四次揮手過程

1. 第一次揮手(FIN=1，seq=u)，發(fā)送完畢后，客戶端進(jìn)入FIN_WAIT_1 狀態(tài)
2. 第二次揮手(ACK=1，ack=u+1,seq =v)，發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入CLOSE_WAIT 狀態(tài)，客戶端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，進(jìn)入 FIN_WAIT_2 狀態(tài)
3. 第三次揮手(FIN=1，ACK1,seq=w,ack=u+1)，發(fā)送完畢后，服務(wù)器端進(jìn)入LAST_ACK 狀態(tài)，等待來自客戶端的最后一個(gè)ACK。
4. 第四次揮手(ACK=1，seq=u+1,ack=w+1)，客戶端接收到來自服務(wù)器端的關(guān)閉請(qǐng)求，發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包，并進(jìn)入 TIME_WAIT狀態(tài)，等待了某個(gè)固定時(shí)間(兩個(gè)最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime)之后，沒有收到服務(wù)器端的 ACK ，認(rèn)為服務(wù)器端已經(jīng)正常關(guān)閉連接，于是自己也關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。服務(wù)器端接收到這個(gè)確認(rèn)包之后，關(guān)閉連接，進(jìn)入 CLOSED 狀態(tài)。

4. TCP揮手為什么需要四次呢?

舉個(gè)例子吧!

★小明和小紅打電話聊天，通話差不多要結(jié)束時(shí)，小紅說“我沒啥要說的了”，小明回答“我知道了”。但是小明可能還會(huì)有要說的話，小紅不能要求小明跟著自己的節(jié)奏結(jié)束通話，于是小明可能又嘰嘰歪歪說了一通，最后小明說“我說完了”，小紅回答“知道了”，這樣通話才算結(jié)束。”

5. TIME-WAIT 狀態(tài)為什么需要等待 2MSL

2MSL，2 Maximum Segment Lifetime，即兩個(gè)最大段生命周期

• 1個(gè) MSL 保證四次揮手中主動(dòng)關(guān)閉方最后的 ACK 報(bào)文能最終到達(dá)對(duì)端
• 1個(gè) MSL 保證對(duì)端沒有收到 ACK 那么進(jìn)行重傳的 FIN 報(bào)文能夠到達(dá)

6.TCP 和 UDP 的區(qū)別

• TCP面向連接((如打電話要先撥號(hào)建立連接);UDP是無連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接。
• TCP要求安全性，提供可靠的服務(wù)，通過TCP連接傳送的數(shù)據(jù)，不丟失、不重復(fù)、安全可靠。而UDP盡最大努力交付，即不保證可靠交付。
• TCP是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的，UDP一對(duì)一，一對(duì)多，多對(duì)多都可以
• TCP傳輸效率相對(duì)較低,而UDP傳輸效率高，它適用于對(duì)高速傳輸和實(shí)時(shí)性有較高的通信或廣播通信。
• TCP適合用于網(wǎng)頁，郵件等;UDP適合用于視頻，語音廣播等
• TCP面向字節(jié)流，UDP面向報(bào)文

7. TCP報(bào)文首部有哪些字段，說說其作用

• 16位端口號(hào)：源端口號(hào)，主機(jī)該報(bào)文段是來自哪里;目標(biāo)端口號(hào)，要傳給哪個(gè)上層協(xié)議或應(yīng)用程序
• 32位序號(hào)：一次TCP通信(從TCP連接建立到斷開)過程中某一個(gè)傳輸方向上的字節(jié)流的每個(gè)字節(jié)的編號(hào)。
• 32位確認(rèn)號(hào)：用作對(duì)另一方發(fā)送的tcp報(bào)文段的響應(yīng)。其值是收到的TCP報(bào)文段的序號(hào)值加1。
• 4位頭部長度：表示tcp頭部有多少個(gè)32bit字(4字節(jié))。因?yàn)?位最大能標(biāo)識(shí)15，所以TCP頭部最長是60字節(jié)。
• 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(緩沖區(qū)尚未填滿)，RST(表示要求對(duì)方重新建立連接)，SYN(建立連接消息標(biāo)志接)，F(xiàn)IN(表示告知對(duì)方本端要關(guān)閉連接了)
• 16位窗口大?。菏荰CP流量控制的一個(gè)手段。這里說的窗口，指的是接收通告窗口。它告訴對(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。
• 16位校驗(yàn)和：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)文段在傳輸過程中是否損壞。注意，這個(gè)校驗(yàn)不僅包括TCP頭部，也包括數(shù)據(jù)部分。這也是TCP可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要保障。
• 16位緊急指針：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)的下一字節(jié)的序號(hào)。因此，確切地說，這個(gè)字段是緊急指針相對(duì)當(dāng)前序號(hào)的偏移，不妨稱之為緊急偏移。TCP的緊急指針是發(fā)送端向接收端發(fā)送緊急數(shù)據(jù)的方法。

8. TCP 是如何保證可靠性的

• 首先，TCP的連接是基于三次握手，而斷開則是四次揮手。確保連接和斷開的可靠性。
• 其次，TCP的可靠性，還體現(xiàn)在有狀態(tài);TCP會(huì)記錄哪些數(shù)據(jù)發(fā)送了，哪些數(shù)據(jù)被接受了，哪些沒有被接受，并且保證數(shù)據(jù)包按序到達(dá)，保證數(shù)據(jù)傳輸不出差錯(cuò)。
• 再次，TCP的可靠性，還體現(xiàn)在可控制。它有報(bào)文校驗(yàn)、ACK應(yīng)答、超時(shí)重傳(發(fā)送方)、失序數(shù)據(jù)重傳(接收方)、丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)、流量控制(滑動(dòng)窗口)和擁塞控制等機(jī)制。

9. TCP 重傳機(jī)制

超時(shí)重傳

TCP 為了實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)了重傳機(jī)制。最基本的重傳機(jī)制，就是超時(shí)重傳，即在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，設(shè)定一個(gè)定時(shí)器，每間隔一段時(shí)間，沒有收到對(duì)方的ACK確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文，就會(huì)重發(fā)該報(bào)文。

這個(gè)間隔時(shí)間，一般設(shè)置為多少呢?我們先來看下什么叫RTT(Round-Trip Time，往返時(shí)間)。

RTT就是，一個(gè)數(shù)據(jù)包從發(fā)出去到回來的時(shí)間，即數(shù)據(jù)包的一次往返時(shí)間。超時(shí)重傳時(shí)間，就是Retransmission Timeout ，簡稱RTO。

RTO設(shè)置多久呢?

• 如果RTO比較小，那很可能數(shù)據(jù)都沒有丟失，就重發(fā)了，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞，會(huì)導(dǎo)致更多的超時(shí)出現(xiàn)。
• 如果RTO比較大，等到花兒都謝了還是沒有重發(fā)，那效果就不好了。

一般情況下，RTO略大于RTT，效果是最好的。一些小伙伴會(huì)問，超時(shí)時(shí)間有沒有計(jì)算公式呢?有的!有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法算RTO的公式，也叫Jacobson / Karels 算法。我們一起來看下計(jì)算RTO的公式

1. 先計(jì)算SRTT(計(jì)算平滑的RTT)

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT  //求 SRTT 的加權(quán)平均 

2. 再計(jì)算RTTVAR (round-trip time variation)

RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * (|RTT - SRTT|) //計(jì)算 SRTT 與真實(shí)值的差距 

3. 最終的RTO

RTO = µ * SRTT + ∂ * RTTVAR  =  SRTT + 4·RTTVAR   

其中，α = 0.125，β = 0.25， μ = 1，? = 4，這些參數(shù)都是大量結(jié)果得出的最優(yōu)參數(shù)。

但是，超時(shí)重傳會(huì)有這些缺點(diǎn)：

• 當(dāng)一個(gè)報(bào)文段丟失時(shí)，會(huì)等待一定的超時(shí)周期然后才重傳分組，增加了端到端的時(shí)延。
• 當(dāng)一個(gè)報(bào)文段丟失時(shí)，在其等待超時(shí)的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況：其后的報(bào)文段已經(jīng)被接收端接收但卻遲遲得不到確認(rèn)，發(fā)送端會(huì)認(rèn)為也丟失了，從而引起不必要的重傳，既浪費(fèi)資源也浪費(fèi)時(shí)間。

并且，TCP有個(gè)策略，就是超時(shí)時(shí)間間隔會(huì)加倍。超時(shí)重傳需要等待很長時(shí)間。因此，還可以使用快速重傳機(jī)制。

快速重傳

快速重傳機(jī)制，它不以時(shí)間驅(qū)動(dòng)，而是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。它基于接收端的反饋信息來引發(fā)重傳。

一起來看下快速重傳流程：

快速重傳流程

發(fā)送端發(fā)送了 1，2，3，4，5,6 份數(shù)據(jù):

• 第一份 Seq=1 先送到了，于是就 Ack 回 2;
• 第二份 Seq=2 也送到了，假設(shè)也正常，于是ACK 回 3;
• 第三份 Seq=3 由于網(wǎng)絡(luò)等其他原因，沒送到;
• 第四份 Seq=4 也送到了，但是因?yàn)镾eq3沒收到。所以ACK回3;
• 后面的 Seq=4,5的也送到了，但是ACK還是回復(fù)3，因?yàn)镾eq=3沒收到。
• 發(fā)送端連著收到三個(gè)重復(fù)冗余ACK=3的確認(rèn)(實(shí)際上是4個(gè)，但是前面一個(gè)是正常的ACK，后面三個(gè)才是重復(fù)冗余的)，便知道哪個(gè)報(bào)文段在傳輸過程中丟失了，于是在定時(shí)器過期之前，重傳該報(bào)文段。
• 最后，接收到收到了 Seq3，此時(shí)因?yàn)?Seq=4，5，6都收到了，于是ACK回7.

但快速重傳還可能會(huì)有個(gè)問題：ACK只向發(fā)送端告知最大的有序報(bào)文段，到底是哪個(gè)報(bào)文丟失了呢?并不確定!那到底該重傳多少個(gè)包呢?

是重傳 Seq3 呢?還是重傳 Seq3、Seq4、Seq5、Seq6 呢?因?yàn)榘l(fā)送端并不清楚這三個(gè)連續(xù)的 ACK3 是誰傳回來的。”

帶選擇確認(rèn)的重傳(SACK)

為了解決快速重傳的問題：應(yīng)該重傳多少個(gè)包? TCP提供了SACK方法(帶選擇確認(rèn)的重傳，Selective Acknowledgment)。

SACK機(jī)制就是，在快速重傳的基礎(chǔ)上，接收端返回最近收到的報(bào)文段的序列號(hào)范圍，這樣發(fā)送端就知道接收端哪些數(shù)據(jù)包沒收到，醬紫就很清楚該重傳哪些數(shù)據(jù)包啦。SACK標(biāo)記是加在TCP頭部選項(xiàng)字段里面的。

SACK機(jī)制

如上圖中，發(fā)送端收到了三次同樣的ACK=30的確認(rèn)報(bào)文，于是就會(huì)觸發(fā)快速重發(fā)機(jī)制，通過SACK信息發(fā)現(xiàn)只有30~39這段數(shù)據(jù)丟失，于是重發(fā)時(shí)就只選擇了這個(gè)30~39的TCP報(bào)文段進(jìn)行重發(fā)。

D-SACK

D-SACK，即Duplicate SACK(重復(fù)SACK)，在SACK的基礎(chǔ)上做了一些擴(kuò)展，，主要用來告訴發(fā)送方，有哪些數(shù)據(jù)包自己重復(fù)接受了。DSACK的目的是幫助發(fā)送方判斷，是否發(fā)生了包失序、ACK丟失、包重復(fù)或偽重傳。讓TCP可以更好的做網(wǎng)絡(luò)流控。來看個(gè)圖吧：

D-SACK簡要流程

10. 聊聊TCP的滑動(dòng)窗口

TCP 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，需要收到確認(rèn)應(yīng)答，才會(huì)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣有個(gè)缺點(diǎn)，就是效率會(huì)比較低。

這就好像我們面對(duì)面聊天，你說完一句，我應(yīng)答后，你才會(huì)說下一句。那么，如果我在忙其他事情，沒有能夠及時(shí)回復(fù)你。你說完一句后，要等到我忙完回復(fù)你，你才說下句，這顯然很不現(xiàn)實(shí)。”

為了解決這個(gè)問題，TCP引入了窗口，它是操作系統(tǒng)開辟的一個(gè)緩存空間。窗口大小值表示無需等待確認(rèn)應(yīng)答，而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最大值。

TCP頭部有個(gè)字段叫win，也即那個(gè)16位的窗口大小，它告訴對(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，從而達(dá)到流量控制的目的。

通俗點(diǎn)講，就是接受方每次收到數(shù)據(jù)包，在發(fā)送確認(rèn)報(bào)文的時(shí)候，同時(shí)告訴發(fā)送方，自己的緩存區(qū)還有多少空余空間，緩沖區(qū)的空余空間，我們就稱之為接受窗口大小。這就是win。”

TCP 滑動(dòng)窗口分為兩種: 發(fā)送窗口和接收窗口。發(fā)送端的滑動(dòng)窗口包含四大部分，如下：

• 已發(fā)送且已收到ACK確認(rèn)
• 已發(fā)送但未收到ACK確認(rèn)
• 未發(fā)送但可以發(fā)送
• 未發(fā)送也不可以發(fā)送

• 虛線矩形框，就是發(fā)送窗口。
• SND.WND: 表示發(fā)送窗口的大小,上圖虛線框的格子數(shù)就是14個(gè)。
• SND.UNA: 一個(gè)絕對(duì)指針，它指向的是已發(fā)送但未確認(rèn)的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)。
• SND.NXT：下一個(gè)發(fā)送的位置，它指向未發(fā)送但可以發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)。

接收方的滑動(dòng)窗口包含三大部分，如下：

• 已成功接收并確認(rèn)
• 未收到數(shù)據(jù)但可以接收
• 未收到數(shù)據(jù)并不可以接收的數(shù)據(jù)

• 虛線矩形框，就是接收窗口。
• REV.WND: 表示接收窗口的大小,上圖虛線框的格子就是9個(gè)。
• REV.NXT:下一個(gè)接收的位置，它指向未收到但可以接收的第一個(gè)字節(jié)的序列號(hào)。

11. 聊聊TCP的流量控制

TCP三次握手，發(fā)送端和接收端進(jìn)入到ESTABLISHED狀態(tài)，它們即可以愉快地傳輸數(shù)據(jù)啦。

但是發(fā)送端不能瘋狂地向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)榻邮斩私邮詹贿^來的話，接收方只能把處理不過來的數(shù)據(jù)存在緩存區(qū)里。如果緩存區(qū)都滿了，發(fā)送方還在瘋狂發(fā)送數(shù)據(jù)的話，接收方只能把收到的數(shù)據(jù)包丟掉，這就浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源啦。

TCP 提供一種機(jī)制可以讓發(fā)送端根據(jù)接收端的實(shí)際接收能力控制發(fā)送的數(shù)據(jù)量，這就是流量控制。”

TCP通過滑動(dòng)窗口來控制流量，我們看下流量控制的簡要流程吧：

首先雙方三次握手，初始化各自的窗口大小，均為 400 個(gè)字節(jié)。

TCP的流量控制

• 假如當(dāng)前發(fā)送方給接收方發(fā)送了200個(gè)字節(jié)，那么，發(fā)送方的SND.NXT會(huì)右移200個(gè)字節(jié)，也就是說當(dāng)前的可用窗口減少了200 個(gè)字節(jié)。
• 接受方收到后，放到緩沖隊(duì)列里面，REV.WND =400-200=200字節(jié)，所以win=200字節(jié)返回給發(fā)送方。接收方會(huì)在 ACK 的報(bào)文首部帶上縮小后的滑動(dòng)窗口200字節(jié)
• 發(fā)送方又發(fā)送200字節(jié)過來，200字節(jié)到達(dá)，繼續(xù)放到緩沖隊(duì)列。不過這時(shí)候，由于大量負(fù)載的原因，接受方處理不了這么多字節(jié)，只能處理100字節(jié)，剩余的100字節(jié)繼續(xù)放到緩沖隊(duì)列。這時(shí)候，REV.WND = 400-200-100=100字節(jié)，即win=100返回發(fā)送方。
• 發(fā)送方繼續(xù)干活，發(fā)送100字節(jié)過來，這時(shí)候，接受窗口win變?yōu)?。
• 發(fā)送方停止發(fā)送，開啟一個(gè)定時(shí)任務(wù)，每隔一段時(shí)間，就去詢問接受方，直到win大于0，才繼續(xù)開始發(fā)送。

12. TCP的擁塞控制

擁塞控制是作用于網(wǎng)絡(luò)的，防止過多的數(shù)據(jù)包注入到網(wǎng)絡(luò)中，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大的情況。它的目標(biāo)主要是最大化利用網(wǎng)絡(luò)上瓶頸鏈路的帶寬。它跟流量控制又有什么區(qū)別呢?流量控制是作用于接收者的，根據(jù)接收端的實(shí)際接收能力控制發(fā)送速度，防止分組丟失的。

我們可以把網(wǎng)絡(luò)鏈路比喻成一根水管，如果我們想最大化利用網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，那就是盡快讓水管達(dá)到最佳充滿狀態(tài)。

發(fā)送方維護(hù)一個(gè)擁塞窗口cwnd(congestion window) 的變量，用來估算在一段時(shí)間內(nèi)這條鏈路(水管)可以承載和運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)(水)的數(shù)量。它大小代表著網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且是動(dòng)態(tài)變化的，但是為了達(dá)到最大的傳輸效率，我們?cè)撊绾沃肋@條水管的運(yùn)送效率是多少呢?

一個(gè)比較簡單的方法就是不斷增加傳輸?shù)乃?，直到水管快要爆裂為?對(duì)應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)上就是發(fā)生丟包)，用 TCP 的描述就是：

★只要網(wǎng)絡(luò)中沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口的值就可以再增大一些，以便把更多的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口的值就應(yīng)該減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包數(shù)。”

實(shí)際上，擁塞控制主要有這幾種常用算法

• 慢啟動(dòng)
• 擁塞避免
• 擁塞發(fā)生
• 快速恢復(fù)

慢啟動(dòng)算法

慢啟動(dòng)算法，表面意思就是，別急慢慢來。它表示TCP建立連接完成后，一開始不要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，而是先探測一下網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。由小到大逐漸增加擁塞窗口的大小，如果沒有出現(xiàn)丟包，每收到一個(gè)ACK，就將擁塞窗口cwnd大小就加1(單位是MSS)。每輪次發(fā)送窗口增加一倍，呈指數(shù)增長，如果出現(xiàn)丟包，擁塞窗口就減半，進(jìn)入擁塞避免階段。

• TCP連接完成，初始化cwnd = 1，表明可以傳一個(gè)MSS單位大小的數(shù)據(jù)。
• 每當(dāng)收到一個(gè)ACK，cwnd就加一;
• 每當(dāng)過了一個(gè)RTT，cwnd就增加一倍; 呈指數(shù)讓升

為了防止cwnd增長過大引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，還需設(shè)置一個(gè)慢啟動(dòng)閥值ssthresh(slow start threshold)狀態(tài)變量。當(dāng)cwnd到達(dá)該閥值后，就好像水管被關(guān)小了水龍頭一樣，減少擁塞狀態(tài)。即當(dāng)cwnd >ssthresh時(shí)，進(jìn)入了擁塞避免算法。

擁塞避免算法

一般來說，慢啟動(dòng)閥值ssthresh是65535字節(jié)，cwnd到達(dá)慢啟動(dòng)閥值后

• 每收到一個(gè)ACK時(shí)，cwnd = cwnd + 1/cwnd
• 當(dāng)每過一個(gè)RTT時(shí)，cwnd = cwnd + 1

顯然這是一個(gè)線性上升的算法，避免過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

擁塞發(fā)生

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生丟包時(shí)，會(huì)有兩種情況：

• RTO超時(shí)重傳
• 快速重傳

如果是發(fā)生了RTO超時(shí)重傳，就會(huì)使用擁塞發(fā)生算法

• 慢啟動(dòng)閥值sshthresh = cwnd /2
• cwnd 重置為 1
• 進(jìn)入新的慢啟動(dòng)過程

這真的是辛辛苦苦幾十年，一朝回到解放前。其實(shí)還有更好的處理方式，就是快速重傳。發(fā)送方收到3個(gè)連續(xù)重復(fù)的ACK時(shí)，就會(huì)快速地重傳，不必等待RTO超時(shí)再重傳。

image.png

慢啟動(dòng)閥值ssthresh 和 cwnd 變化如下：

• 擁塞窗口大小 cwnd = cwnd/2
• 慢啟動(dòng)閥值 ssthresh = cwnd
• 進(jìn)入快速恢復(fù)算法

快速恢復(fù)

快速重傳和快速恢復(fù)算法一般同時(shí)使用?？焖倩謴?fù)算法認(rèn)為，還有3個(gè)重復(fù)ACK收到，說明網(wǎng)絡(luò)也沒那么糟糕，所以沒有必要像RTO超時(shí)那么強(qiáng)烈。

正如前面所說，進(jìn)入快速恢復(fù)之前，cwnd 和 sshthresh已被更新：

- cwnd = cwnd /2 
- sshthresh = cwnd 

然后，真正的快速算法如下：

• cwnd = sshthresh + 3
• 重傳重復(fù)的那幾個(gè)ACK(即丟失的那幾個(gè)數(shù)據(jù)包)
• 如果再收到重復(fù)的 ACK，那么 cwnd = cwnd +1
• 如果收到新數(shù)據(jù)的 ACK 后, cwnd = sshthresh。因?yàn)槭盏叫聰?shù)據(jù)的 ACK，表明恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，可以再次進(jìn)入了擁塞避免的算法了。

13. 半連接隊(duì)列和 SYN Flood 攻擊的關(guān)系

TCP進(jìn)入三次握手前，服務(wù)端會(huì)從CLOSED狀態(tài)變?yōu)長ISTEN狀態(tài),同時(shí)在內(nèi)部創(chuàng)建了兩個(gè)隊(duì)列：半連接隊(duì)列(SYN隊(duì)列)和全連接隊(duì)列(ACCEPT隊(duì)列)。

什么是半連接隊(duì)列(SYN隊(duì)列) 呢? 什么是全連接隊(duì)列(ACCEPT隊(duì)列) 呢?回憶下TCP三次握手的圖：

三次握手

• TCP三次握手時(shí)，客戶端發(fā)送SYN到服務(wù)端，服務(wù)端收到之后，便回復(fù)ACK和SYN，狀態(tài)由LISTEN變?yōu)镾YN_RCVD，此時(shí)這個(gè)連接就被推入了SYN隊(duì)列，即半連接隊(duì)列。
• 當(dāng)客戶端回復(fù)ACK, 服務(wù)端接收后，三次握手就完成了。這時(shí)連接會(huì)等待被具體的應(yīng)用取走，在被取走之前，它被推入ACCEPT隊(duì)列，即全連接隊(duì)列。

SYN Flood是一種典型的DoS (Denial of Service，拒絕服務(wù)) 攻擊，它在短時(shí)間內(nèi)，偽造不存在的IP地址,向服務(wù)器大量發(fā)起SYN報(bào)文。當(dāng)服務(wù)器回復(fù)SYN+ACK報(bào)文后，不會(huì)收到ACK回應(yīng)報(bào)文，導(dǎo)致服務(wù)器上建立大量的半連接半連接隊(duì)列滿了，這就無法處理正常的TCP請(qǐng)求啦。

• 主要有 syn cookie和SYN Proxy防火墻等方案應(yīng)對(duì)。
• syn cookie：在收到SYN包后，服務(wù)器根據(jù)一定的方法，以數(shù)據(jù)包的源地址、端口等信息為參數(shù)計(jì)算出一個(gè)cookie值作為自己的SYNACK包的序列號(hào)，回復(fù)SYN+ACK后，服務(wù)器并不立即分配資源進(jìn)行處理，等收到發(fā)送方的ACK包后，重新根據(jù)數(shù)據(jù)包的源地址、端口計(jì)算該包中的確認(rèn)序列號(hào)是否正確，如果正確則建立連接，否則丟棄該包。

SYN Proxy防火墻：服務(wù)器防火墻會(huì)對(duì)收到的每一個(gè)SYN報(bào)文進(jìn)行代理和回應(yīng)，并保持半連接。等發(fā)送方將ACK包返回后，再重新構(gòu)造SYN包發(fā)到服務(wù)器，建立真正的TCP連接。

14. Nagle 算法與延遲確認(rèn)

Nagle算法

如果發(fā)送端瘋狂地向接收端發(fā)送很小的包，比如就1個(gè)字節(jié)，那么親愛的小伙伴，你們覺得會(huì)有什么問題呢?

TCP/IP協(xié)議中，無論發(fā)送多少數(shù)據(jù)，總是要在數(shù)據(jù)前面加上協(xié)議頭，同時(shí)，對(duì)方接收到數(shù)據(jù)，也需要發(fā)送ACK表示確認(rèn)。為了盡可能的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，TCP總是希望盡可能的發(fā)送足夠大的數(shù)據(jù)。Nagle算法就是為了盡可能發(fā)送大塊數(shù)據(jù)，避免網(wǎng)絡(luò)中充斥著許多小數(shù)據(jù)塊。”

Nagle算法的基本定義是：任意時(shí)刻，最多只能有一個(gè)未被確認(rèn)的小段。所謂“小段”，指的是小于MSS尺寸的數(shù)據(jù)塊，所謂“未被確認(rèn)”，是指一個(gè)數(shù)據(jù)塊發(fā)送出去后，沒有收到對(duì)方發(fā)送的ACK確認(rèn)該數(shù)據(jù)已收到。

Nagle算法的實(shí)現(xiàn)規(guī)則：

• 如果包長度達(dá)到MSS，則允許發(fā)送;
• 如果該包含有FIN，則允許發(fā)送;
• 設(shè)置了TCP_NODELAY選項(xiàng)，則允許發(fā)送;
• 未設(shè)置TCP_CORK選項(xiàng)時(shí)，若所有發(fā)出去的小數(shù)據(jù)包(包長度小于MSS)均被確認(rèn)，則允許發(fā)送;
• 上述條件都未滿足，但發(fā)生了超時(shí)(一般為200ms)，則立即發(fā)送。

延遲確認(rèn)

如果接受方剛接收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)包，在很短很短的時(shí)間內(nèi)，又接收到第二個(gè)包。那么請(qǐng)問接收方是一個(gè)一個(gè)地回復(fù)好點(diǎn)，還是合并一起回復(fù)好呢?

★接收方收到數(shù)據(jù)包后，如果暫時(shí)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)給對(duì)端，它可以等一段時(shí)再確認(rèn)(Linux上默認(rèn)是40ms)。如果這段時(shí)間剛好有數(shù)據(jù)要傳給對(duì)端，ACK就隨著數(shù)據(jù)傳輸，而不需要單獨(dú)發(fā)送一次ACK。如果超過時(shí)間還沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，也發(fā)送ACK，避免對(duì)端以為丟包。”

但是有些場景不能延遲確認(rèn)，比如發(fā)現(xiàn)了亂序包、接收到了大于一個(gè) frame 的報(bào)文，且需要調(diào)整窗口大小等。

一般情況下，Nagle算法和延遲確認(rèn)不能一起使用，Nagle算法意味著延遲發(fā)，延遲確認(rèn)意味著延遲接收，醬紫就會(huì)造成更大的延遲，會(huì)產(chǎn)生性能問題。

15. TCP的粘包和拆包

TCP是面向流，沒有界限的一串?dāng)?shù)據(jù)。TCP底層并不了解上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的具體含義，它會(huì)根據(jù)TCP緩沖區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行包的劃分，所以在業(yè)務(wù)上認(rèn)為，一個(gè)完整的包可能會(huì)被TCP拆分成多個(gè)包進(jìn)行發(fā)送，也有可能把多個(gè)小的包封裝成一個(gè)大的數(shù)據(jù)包發(fā)送，這就是所謂的TCP粘包和拆包問題。

TCP的粘包和拆包

為什么會(huì)產(chǎn)生粘包和拆包呢?

• 要發(fā)送的數(shù)據(jù)小于TCP發(fā)送緩沖區(qū)的大小，TCP將多次寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一次發(fā)送出去，將會(huì)發(fā)生粘包;
• 接收數(shù)據(jù)端的應(yīng)用層沒有及時(shí)讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將發(fā)生粘包;
• 要發(fā)送的數(shù)據(jù)大于TCP發(fā)送緩沖區(qū)剩余空間大小，將會(huì)發(fā)生拆包;
• 待發(fā)送數(shù)據(jù)大于MSS(最大報(bào)文長度)，TCP在傳輸前將進(jìn)行拆包。即TCP報(bào)文長度-TCP頭部長度>MSS。

解決方案：

發(fā)送端將每個(gè)數(shù)據(jù)包封裝為固定長度

在數(shù)據(jù)尾部增加特殊字符進(jìn)行分割

將數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分是頭部，一部分是內(nèi)容體;其中頭部結(jié)構(gòu)大小固定，且有一個(gè)字段聲明內(nèi)容體的大小。

參考資料

[1]TCP 的那些事兒(下): https://coolshell.cn/articles/11609.html

[2]面試頭條你需要懂的 TCP 擁塞控制原理: https://zhuanlan.zhihu.com/p/76023663

[3]30張圖解：TCP 重傳、滑動(dòng)窗口、流量控制、擁塞控制發(fā)愁: https://zhuanlan.zhihu.com/p/133307545

[4]TCP協(xié)議靈魂之問，鞏固你的網(wǎng)路底層基礎(chǔ): https://juejin.cn/post/6844904070889603085

[5]TCP粘包和拆包: https://blog.csdn.net/ailunlee/article/details/95944377

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