1.TCP和UDP的区别是什么？

  • TCP和UDP都是属于运输层的，是两种在程序之间传输数据的通信协议；
  • 可以感性地把UDP理解为写信，TCP理解为打电话；
  1. TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接；
  2. 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；
  3. TCP面向字节流，实际上TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的；UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）；
  4. 每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对多的交互通信；
  5. TCP首部开销20字节；UDP的首部开销小，只有8个字节；
  6. TCP的逻辑通信是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道。 alt

追问1：TCP和UDP的使用场景？

  • 某些情况下UDP确是一种最有效的工作方式（一般用于即时通信），比如：QQ语音、QQ视频、直播等对实时性要求较高的场景；
  • TCP一般用于文件传输、发送和接受邮件、远程登录等场景。

2.TCP是如何保证可靠传输的？

  1. 应用数据被分割成TCP认为最合适发送的数据块。
  2. TCP给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
  3. 校验和：TCP将保持它首部和数据的校验和。这是一个端到端的校验和，目的检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，TCP将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  4. TCP的接收端会丢弃重复的数据。
  5. 流量控制：TCP连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能够接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送速率，防止包丢失。TCP使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。（TCP利用滑动窗口实现流量控制）
  6. 拥塞控制:当网络拥塞时，减少数据的发送。
  7. ARQ协议：也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
  8. 超时重传：当TCP发出一个段后，它将启动一个定时器，等待接收端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

3.TCP的三次握手和四次挥手。

TCP三次握手

  • 三次握手本质上是为了解决网络信道不可靠的问题，为了能够在不可靠的网络信道上建立起可靠的连接。
  • 三次握手的过程：
    • 开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态。先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态
    • 客户端会随机初始化序列号（client-isn），将序列号置于TCP首部的‘序号’字段中，同时会把SYN标志位置为1，表示SYN报文。接着把第一个SYN报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于SYN-SENT状态；
    • 服务端收到客户端的SYN报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server-isn），将此序号填入TCP首部的‘序号’字段中，其次把TCP首部的‘确认应答号’字段填入client-isn + 1，接着把SYN和ACK标志位置为1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于SYN-RCVD状态。
    • 客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文TCP首部ACK标志位置为1，其次‘确认应答号’字段填入server-isn + 1,最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务器的数据，之后客户端处于ESTABLISHED状态。
    • 服务器收到客户端的应答报文后，也进入ESTABLISHED状态。 alt

四次挥手

  • 四次挥手本质上是为了保证在不可靠的网络连接中，进行可靠的连接断开。
  • 四次挥手的过程：
    • 客户端打算关闭连接，此时会发送一个TCP首部FIN标志位置为1的报文，也即FIN报文，之后客户端进入FIN_WAIT_1状态；
    • 服务端收到该FIN报文之后，就向客户端发送ACK应答报文，接着服务端进入CLOSED_WAIT状态。
    • 客户端收到服务端的ACK应答报文后，之后进入FIN_WAIT_2状态；
    • 等待服务端处理完数据后，也向客户端发送FIN报文，之后服务端进入LAST_ACK状态；
    • 客户端收到服务端的FIN报文后，回一个ACK应答报文，之后进入TIME-WAIT状态
    • 服务器收到ACK应答报文之后，就进入了CLOSED状态，至此服务端已经完成连接的关闭。
    • 客户端在经过2MSL一段时间后，自动进入CLOSED状态，至此客户端也完成了连接的关闭。（注意：主动关闭连接的，才有TIME-WAIT状态） alt

追问1：为什么是三次？不是两次、四次？

  • “因为三次才能保证双方具有接收和发送的能力。”
  • TCP建立连接时，通过三次握手能防止历史连接的建立，能够减少双方不必要的资源开销，能够帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复，不丢弃和按序传输。

不使用两次和四次的原因：

  • 两次：无法防止历史连接的建立，会造成双方资源的浪费，也无法可靠的同步双方序列号；
  • 四次：三次握手就已经是理论上最少步数的可靠连接建立方法，所以不需要再使用更多的通信次数。

追问2： 为什么TIME_WAIT的等待时间是2MSL？

  • MSL：报文最大生存时间，是指任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。因TCP报文基于IP协议，而IP头中有一个TTL字段，是IP数据报可以经过的最大路由数，每经过一个处理他的路由器，此值就减少1，当此值为0时则数据将被丢弃，同时发送ICMP报文通知源主机。
  • MSL与TTL的区别：MSL的单位是时间，而TTL是经过路由跳数。所以MSL应该要大于等于TTL消耗为0的时间，以确保报文自然消亡。
  • 2MSL的时间是从客户端收到FIN后发送ACK开始计时的。如果在TIME-WATI时间内，因为客户端的ACK没有传输到服务端，客户端又接收到了服务端重发的FIN报文，那么2MSL时间将重新计时。
  • Linux系统里2MSL默认是60秒。

追问3： 为什么需要TIME_WAIT状态？

主要两个原因：

  • 防止具有相同‘四元组’的‘旧’数据包被收到；
  • 保证‘被动关闭连接’的一方能够被正确关闭，即保证最后的ACK能让被动关闭的一方接收，从而保证其正常关闭。

追问4： TIME_WAIT过多有什么危害？

  • 第一是内存资源占用；
  • 第二是端口资源占用，一个TCP连接至少消耗一个本地端口。

4.拥塞控制有哪些控制算法?

  • 慢启动
  • 拥塞避免
  • 拥塞发生
  • 快速恢复

5.TCP半连接队列和全连接队列。

在TCP三次握手的时候，Linux内核会维护两个队列，分别是

  • 半连接队列，也称SYN队列
  • 全连接队列，也称accept队列
  • 服务端收到客户端发起的SYN请求后，内核会把该连接存储到半连接队列，并向客户端响应SYN+ACK，接着客户端会返回ACK，服务端收到第三次握手的ACK后，内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的完全的连接，并将其添加到accept队列，等待进程调用accept函数时把连接取出来。 alt

面试题：讲一下流量控制和拥塞控制，有了流量控制为什么还要拥塞控制？

  • TCP协议提供流量控制(匹配源主机的发送数据速率与目的主机的接收数据速率，以防止目的主机溢出)、差错控制(保证数据段无差错到达目的地和重新发送受损的数据段)、拥塞控制(减少由于网络拥塞造成的数据段丢失)。
  • 流量控制是对于源主机和目的主机的数据发送/接收速率匹配而言的；而拥塞控制是针对于网络拥塞的状况而言的。两者针对的情景不一致，但都是为了保证数据传输的可靠与稳定。