目次
0.TCP协议格式
编辑
一.确认应答(安全机制)
二.超时重传(安全机制)
1.SYN丢包
2.ACK丢包
三.毗连管理(安全机制)
1.三次握手建立毗连
编辑
2.四次挥手断开毗连
3.建立和断开毗连
四.滑动窗口(服从机制)
五.流量控制(服从机制)
六.拥塞控制(安全机制)
七.延长应答(服从机制)
八.捎带应答(服从机制)
九.面向字节流
1.粘包题目
2.具体的现象
3.解决方案
1.在消息末端加上特殊的分隔符来标识消息的竣事
2.利用一个专门用来描述消息体长度的字段，来标识消息体的具体长度
十.TCP异常情况
1.步伐崩溃
2.正常关机
3.主机掉电操纵
4.网线断开
十一.常晤面试题
0.TCP协议格式
传输层协议
- 源/目的端口号：表现数据是从哪个进程来，到哪个进程去；
- 32位序号/32位确认号：背面详细讲；
- 4位TCP报头长度：表现该TCP头部有多少个32位bit（有多少个4字节）；所以TCP头部最大长是 15 * 4 = 60
- 6位标记位: URG ：告急指针是否有用 ACK ：确认号是否有用 PSH ：提示接收端应用步伐立即从 TCP 缓冲区把数据读走 RST ：对方要求重新建立毗连；我们把携带 RST 标识的称为 复位报文段 SYN ：请求建立毗连；我们把携带 SYN 标识的称为 同步报文段 FIN ：通知对方，本端要关闭了，我们称携带 FIN 标识的为 竣事报文段
- 16位窗口大小：背面再说
- 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有题目。此处的检验和不但 包含TCP首部，也包含TCP数据部门。
- 16位告急指针：标识哪部门数据是告急数据；
- 40字节头部选项：暂时忽略；
TCP 对数据传输提供的管控机制，主要表如今两个方面：安全和服从。 这些机制和多线程的计划原则雷同：保证数据传输安全的条件下，尽可能的进步传输服从。
一.确认应答(安全机制)
假如我们给一个人发送多条信息,由于网络的题目,可能会出现,乱序的题目.好比我们发送两条信息:1.你好.2.吃了吗? 由于网络题目,可能会出现接收方先接受到了"吃了吗?",后接受到了"你好.",这样的情况我们是不想出现的,因此确认应答机制可以很好的解决这种题目.
如下图,为相识决这种题目,每次发送消息的时候,TCP数据中的字节进行了编号,好比主机B接受到了1-1000byte的数据,32位序列号中1-1000标记已经接受到了1000个字节,确认序列号返回1001,表现下次从第1001个字节进行发送.
TCP将每个字节的数据都进行了编号。即为序列号。
每一个 ACK 都带有对应简直认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据；下一次你从哪里开始发。 每次发消息的时候将SYN置为1
每次接受消息确认的时候,将ACK置为1
二.超时重传(安全机制)
1.SYN丢包
主机A发送数据(SYN)给主机B,可能由于网络拥挤等原因,消息无法到达主机B,因此主机B也不会给主机A发送确认应发ACK.假如主机A特定时间内没有接收到主机B发送来简直认应答ACK,就会将上次的数据进行重发
2.ACK丢包
主机B接受到了主机A的数据,并且发送了确认应答ACK,但是由于网络拥堵等原因,ACK发送了丢包,主机A并没有主机B发送来的ACK应答.
这个时候也会触发超时重传机制.由于我们发送的消息主机B已经接受到了主机A发送的数据,只不过ACK应答丢包.主机B没有须要存储重复的数据,因此第二次发送消息的时候(超时重传),可以利用前面提到的序列号(前面一次发送序列号已经保存,第二次发送的时候已经存在这个序列号了),就可以很容易做到去重的效果,主机B只需要发送一个确认应答的ACK就可以了.
三.毗连管理(安全机制)
在正常情况下, TCP 要颠末三次握手建立毗连,四次挥手断开毗连 1.三次握手建立毗连
对于网络通讯来说,三次握手可以查抄双发的收发能力是否正常,例如高铁每天都会空跑一趟.
从下图可以看出,通过两次SYN和ACK的过程可以确保双方的收发能力都没有题目,在这个基础上就可以进行正常的数据发送和接收
由于接收方的ACK和SYN可以归并为一次通讯完成(都是在传输层进行发送,在背面的捎带机制也有解说),进步了服从,四次握手可以简化为三次握手
三次握手标记位发生的变革
2.四次挥手断开毗连
发送方发送断开毗连,被接收方接收和应答,接收方会做一些断开前的预备工作.
一样平常来说FIN是由应用步伐发起的,好比调用close()方法,所以是应用层面的,之后接收到发送方ACK应答,服务器就可以开释资源
为什么断开毗连四次挥手不能转变为三次?
第一个ACK是操纵体系(传输层)实现的TCP应答,第二个FIN是应用步伐层面的,这两个操纵是偶然间差的,大概率是不会集并在一起的.
3.建立和断开毗连
服务端状态转化：
- [CLOSED -> LISTEN] 服务器端调用listen后进入LISTEN状态，等待客户端毗连；
- [LISTEN -> SYN_RCVD] 一旦监听到毗连请求（同步报文段），就将该毗连放入内核等待队列中，并向客户端发送SYN确认报文。
- [SYN_RCVD -> ESTABLISHED] 服务端一旦收到客户端简直认报文，就进入ESTABLISHED状态，可以进行读写数据了。
- [ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT] 当客户端主动关闭毗连（调用close），服务器会收到竣事 报文段，服务器返回确认报文段并进入CLOSE_WAIT；
- [CLOSE_WAIT -> LAST_ACK] 进入CLOSE_WAIT后阐明服务器预备关闭毗连（需要处理完之前的数据）；当服务器真正调用close关闭毗连时，会向客户端发送FIN，此时服务器进入
- LAST_ACK状态，等待最后一个ACK到来（这个ACK是客户端确认收到了FIN）
- [LAST_ACK -> CLOSED] 服务器收到了对FIN的ACK，彻底关闭毗连。
客户端状态转化：
- [CLOSED -> SYN_SENT] 客户端调用connect，发送同步报文段；
- [SYN_SENT -> ESTABLISHED] connect调用乐成，则进入ESTABLISHED状态，开始读写数 据；
- [ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1] 客户端主动调用close时，向服务器发送竣事报文段，同时进入FIN_WAIT_1；
- [FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2] 客户端收到服务器对竣事报文段简直认，则进FIN_WAIT_2，
- 开始等待服务器的竣事报文段；[FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT] 客户端收到服务器发来的竣事报文段，进入TIME_WAIT，并发出LAST_ACK；
- [TIME_WAIT -> CLOSED] 客户端要等待一个2MSL（Max Segment Life，报文最大生存时 间）的时间，才会进入CLOSED状态。
四.滑动窗口(服从机制)
刚才我们讨论了确认应答策略,对每一个发送的数据段,都要给一个 ACK 确认应答.收到 ACK 后再发送下一个数据段.这样做有一个比较大的缺点,就是性能较差.尤其是数据来回的时间较长的时候.
因此,我们计划了滑动窗口,一次发送特定命目的数据,可以大大进步服从.下面的案例窗口的大小为4,即一次可以发送四条SYN请求,当主机A接收到主机B发送的ACK应答的时候,滑动窗口向下进行移动,此时可以发送下一条的数据(4001--5000).
- 窗口大小指的是无需等待确认应答而可以继承发送数据的最大值。上图的窗口大小就是4000个字节（四个段）。
- 发送前四个段的时候，不需要等待任何ACK，直接发送；
- 收到第一个ACK后，滑动窗口向后移动，继承发送第五个段的数据；依次类推；
- 操纵体系内核为了维护这个滑动窗口，需要开辟 发送缓冲区 来记载当前还有哪些数据没有应答；只有确认应答过的数据，才能从缓冲区删掉；
- 窗口越大，则网络的吞吐率就越高；
- 假设窗口无穷大,这个时候就服从就相当于UDP了.
那假如发生了丢包的题目,该如何解决呢?下面还是分两种情况进行思量.
情况一：数据包已经抵达，ACK被丢了。
这种情况下,部门ACK丢包了不要紧,可以根据背面的ACK进行确定.
好比确定序列为1001的ACK丢包了,但是背面2001的ACK应答被主机A乐成接收了,我们可以根据这个应答确定前面的数据(1001)都已经接收了,因为假如没有接收到1--1000数据,序列号不会改变,就不会发送2001的ACK应答.
现实案例:别人问你学历,你说是初中,这阐明你已经上过小学了.
思量一下,假如最后一次ACK丢包,会发生什么情况?这个时候背面已经没有ACK应答了,因此这个时候我们只能触发超时重传完成最后一次的SYN和ACK应答.
情况二：数据包就直接丢了。
- 当某一段报文段丢失之后，发送端会不停收到 1001 这样的ACK，就像是在提醒发送端 "我想要的是 1001" 一样；
- 假如发送端主机一连三次收到了同样一个 "1001" 这样的应答，就会将对应的数据 1001 -2000 重新发送；
- 这个时候接收端收到了 1001 之后，再次返回的ACK就是7001了（因为2001 - 7000）接收端其实之前就已经收到了，被放到了接收端操纵体系内核的接收缓冲区中；
这种机制被称为 "高速重发控制"（也叫 "快重传"）。
五.流量控制(服从机制)
主要是确定滑动窗口的大小，通过发送方与接收方动态协商来确认
每个步伐在启动的时候都会去申请体系资源,发送和接收方缓冲区就是申请来的资源.
每次进行ACK应答的时候,ACK应答中将剩余空间的大小放在16位窗口大小,表现具体可以接收多少数据,通过接收方反制发送方对窗口大小的限定,发送方不能为了进步服从而无穷的扩展窗口的大小.
假如接收方的处理能力比较低,可能会出现缓冲区装满的情况,这个时候窗口的大小变为0,这个时候发送方不能再发送数据给接收.
解决窗口大小题目
那么题目来了， 16 位数字最大表现 65535 ，那么 TCP 窗口最大就是 65535 字节么？ 现实上， TCP 首部 40 字节选项中还包含了一个窗口扩大因子 M ，现实窗口大小是窗口字段的值左移 M 位； 六.拥塞控制(安全机制)
虽然TCP有了滑动窗口这个大杀器，可以或许高效可靠的发送大量的数据。但是假如在刚开始阶段就发送大量的数据，仍旧可能引发题目。
因为网络上有许多的计算机，可能当前的网络状态就已经比较拥堵。在不清楚当前网络状态下，贸然发送大量的数据，是很有可能引起雪上加霜的。
TCP引入 慢启动 机制，先发少量的数据，探探路，摸清当前的网络拥堵状态，再决定按照多大的速度传输数据；
- 发送方第一次发送数据，窗口大小是1
- 接下来每一次发送数据，窗口大小以指数扩大2 4 8 16
- 当达到初始阈值时，不再以指数扩大，而是线性的方式增长，每次加1
- 当窗口达到或个值时，出现了大量的丢包现象，也就是说频仍的出现超时重传，就阐明网络出现了堵塞
- 拥塞窗口的大小直接回到最小值1，新的拥塞窗口阈值也会被调整=当前拥塞窗口值/2
- 重复1-5步
具体窗口的大小以以下两个因素决定:①接收方缓存区的大小 ②拥塞控制中根据网络的状态确定下来的窗口大小 我们一样平常取两者的较小值作为现实窗口的大小
少量的丢包，我们仅仅是触发超时重传；大量的丢包，我们就认为网络拥塞；
当TCP通讯开始后，网络吞吐量会逐渐上升；随着网络发生拥堵，吞吐量会立即降落；
拥塞控制，归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方，但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案。
七.延长应答(服从机制)
假如接收数据的主机立即返回ACK应答，这时候返回的窗口可能比较小
- 假设接收端缓冲区为1M。一次收到了500K的数据；假如立即应答，返回的窗口就是500K；但现实上可能处理端处理的速度很快，10ms之内就把500K数据从缓冲区消费掉了；
- 在这种情况下，接收端处理还远没有达到本身的极限，纵然窗口再放大一些，也能处理过来；
- 假如接收端稍微等一会再应答，好比等待200ms再应答，那么这个时候返回的窗口大小就是1M；
可以选择以下两种情况来进行延长应答:
- 数目限定：每隔N个包就应答一次；
- 时间限定：凌驾最大延长时间就应答一次；
好比我们可以每两次请求,应答一次,好比第2,4,6应答.假如是偶数次请求,可以完成应答,假如是奇数次应答,那么最后一次就接纳时间限定,凌驾一个体系默认的时间就应答.
八.捎带应答(服从机制)
由于延长应答的存在，可能存在SYN报文和ACK报文同时发送的情况那么体系就会把两个报文合二为一(这就是三次握手建立毗连可以把第一次ACK和第二次SYN归并在一起的原因)
九.面向字节流
1.粘包题目
在面向字节流中会出现的一个题目就是粘包题目
2.具体的现象
当发送方将数据发送给接受方的时候,发送的数据是以二进制(Java中的byte数组)进行传输的.接收方接受到之后,会存储到接收方的缓冲区中,发送方将多条数据发送给接收方,这多条数据一起存储到缓冲区中,此时假如我们不采取任何方式,多条数据存储到一块,这种不能有用区分消息边界的现象叫做粘包
3.解决方案
如何解决粘包题目其实就是如何区分这些消息的边界.
1.在消息末端加上特殊的分隔符来标识消息的竣事
好比我们在每条消息的末端加上\n来作为一条消息的竣事.
你好啊，一会去吃暖锅吧!!!\nHow are you.\n不复书息你是个猪吗?\n
在获取消息的时候我们可以利用特殊字符截取缓冲区的内容
2.利用一个专门用来描述消息体长度的字段，来标识消息体的具体长度
1.读取消息的时候,先把4byte的表现消息体长度的字段读取出来,好比第一个长度为:42
2.继承在缓冲区读取42个字节,这42个字节表现消息的内容
3.在读取4个byte的下一个消息的长度,重复上面操纵.
举例:
JSON，用大括号来包裹消息，那么就可以理解为他是利用大括号做为特殊字符来表现消息结尾的HTTP，应用层的协议，既利用分隔符也利用了表现消息长度的字段解决粘包题目
十.TCP异常情况
1.步伐崩溃
操纵体系是会感知到的，可以做相应的处理
操纵体系会回收进程的资源,其中开释包括文件描述符表,就想当于调用了对应socket的close之后触发FIN操纵,进而开始进入四次挥手,和普通的四次挥手没有区别.
2.正常关机
通过开始菜单或实验关机命令，体系会强制结所有进程，回收资源，与步伐崩溃实验的流程雷同
3.主机掉电操纵
体系不会做出任何反应
- 发送方并不知道接收方挂了，继承发送数据·发送数据后收不到ACK应答，触发超时重传
- 多次重传都没有收到ACK应答，会尝试进行毗连重置(RST标识位)
- 毗连重置也失败，只能放弃毗连
- 一样平常出如今长毗连中，服务器与客户端会维护一个心跳包客户端每隔1秒给服务器发送一个数据包，证明本身存活)告诉对方我还在线，没有真实数据
- 假如服务器不停收不到这个心跳包，好比过了10秒之后还没有收到，就判定为客户端挂了，自行断开毗连
- 客户端网络恢复之后再次进行重连即可
4.网线断开
与主机掉电的情况相同，只不过是主机都是正常工作的
十一.常晤面试题
1.简述下三次握手,四次挥手的流程
上面已经解说了,可以自行去看
2.为什么需要三次握手,两次不行吗?
上面已经解说了,可以自行去看
3. UDP本身是无毗连，不可靠，面向数据报的协议，假如要基于传输层UDP协议，来实现一个可靠传输,应该怎样计划?
4.UDP大小是受限的，假如要基于传输层UDP协议，传输凌驾64K的数据，应该如何计划？
题目三和题目四都可以基于TCP安全和服从机制进行回答,好比:
引入序列号，保证数据顺序；
引入确认应答，确保对端收到了数据；
引入超时重传，假如隔一段时间没有应答，就重发数据；
5.TCP和UDP的对比和区别.
TCP用于可靠传输的情况，应用于文件传输，紧张状态更新等场景；
UDP用于对高速传输和实时性要求较高的通讯范畴，例如，早期的QQ，视频传输等。 别的UDP可以用于广播；
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