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

脚本之家 2022-04-23

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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

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