1. 讲下TCP三次握手流程

开始客户端和服务器都处于CLOSED状态，然后服务端开始监听某个端口，进入LISTEN状态

  • 第一次握手(SYN=1, seq=x)，发送完毕后，客户端进入 SYN_SEND 状态
  • 第二次握手(SYN=1, ACK=1, seq=y, ACKnum=x+1)， 发送完毕后，服务器端进入 SYN_RCVD 状态。
  • 第三次握手(ACK=1，ACKnum=y+1)，发送完毕后，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，TCP 握手，即可以开始数据传输。

2.TCP握手为什么是三次，不能是两次？不能是四次？

TCP握手为什么是三次呢？为了方便理解，我们以谈恋爱为例子：两个人能走到一起，最重要的事情就是相爱，就是我爱你，并且我知道，你也爱我，接下来我们以此来模拟三次握手的过程：

为什么握手不能是两次呢？

如果只有两次握手，女孩子可能就不知道，她的那句我也爱你，男孩子是否收到，恋爱关系就不能愉快展开。

为什么握手不能是四次呢？

因为握手不能是四次呢？因为三次已经够了，三次已经能让双方都知道：你爱我，我也爱你。而四次就多余了。

3. 讲下TCP四次挥手过程

  1. 第一次挥手(FIN=1，seq=u)，发送完毕后，客户端进入FIN_WAIT_1 状态
  2. 第二次挥手(ACK=1，ack=u+1,seq =v)，发送完毕后，服务器端进入CLOSE_WAIT 状态，客户端接收到这个确认包之后，进入 FIN_WAIT_2 状态
  3. 第三次挥手(FIN=1，ACK1,seq=w,ack=u+1)，发送完毕后，服务器端进入LAST_ACK 状态，等待来自客户端的最后一个ACK。
  4. 第四次挥手(ACK=1，seq=u+1,ack=w+1)，客户端接收到来自服务器端的关闭请求，发送一个确认包，并进入 TIME_WAIT状态，等待了某个固定时间（两个最大段生命周期，2MSL，2 Maximum Segment Lifetime）之后，没有收到服务器端的 ACK ，认为服务器端已经正常关闭连接，于是自己也关闭连接，进入 CLOSED 状态。服务器端接收到这个确认包之后，关闭连接，进入 CLOSED 状态。

4. TCP挥手为什么需要四次呢？

举个例子吧!

小明和小红打电话聊天，通话差不多要结束时，小红说“我没啥要说的了”，小明回答“我知道了”。但是小明可能还会有要说的话，小红不能要求小明跟着自己的节奏结束通话，于是小明可能又叽叽歪歪说了一通，最后小明说“我说完了”，小红回答“知道了”，这样通话才算结束。

5. TIME-WAIT 状态为什么需要等待 2MSL

2MSL，2 Maximum Segment Lifetime，即两个最大段生命周期

  • 1个 MSL 保证四次挥手中主动关闭方最后的 ACK 报文能最终到达对端
  • 1个 MSL 保证对端没有收到 ACK 那么进行重传的 FIN 报文能够到达

6.TCP 和 UDP 的区别

  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要求安全性，提供可靠的服务，通过TCP连接传送的数据，不丢失、不重复、安全可靠。而UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付。
  3. TCP是点对点连接的，UDP一对一，一对多，多对多都可以
  4. TCP传输效率相对较低,而UDP传输效率高，它适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。
  5. TCP适合用于网页，邮件等;UDP适合用于视频，语音广播等
  6. TCP面向字节流，UDP面向报文

7. TCP报文首部有哪些字段，说说其作用

  • 16位端口号：源端口号，主机该报文段是来自哪里；目标端口号，要传给哪个上层协议或应用程序
  • 32位序号：一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。
  • 32位确认号：用作对另一方发送的tcp报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值加1。
  • 4位头部长度：表示tcp头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大能标识15，所以TCP头部最长是60字节。
  • 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（缓冲区尚未填满），RST（表示要求对方重新建立连接），SYN（建立连接消息标志接），FIN（表示告知对方本端要关闭连接了）
  • 16位窗口大小：是TCP流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口。它告诉对方本端的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。
  • 16位校验和：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。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分。这也是TCP可靠传输的一个重要保障。
  • 16位紧急指针：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字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

8. TCP 是如何保证可靠性的

  • 首先，TCP的连接是基于三次握手，而断开则是四次挥手。确保连接和断开的可靠性。
  • 其次，TCP的可靠性，还体现在有状态;TCP会记录哪些数据发送了，哪些数据被接受了，哪些没有被接受，并且保证数据包按序到达，保证数据传输不出差错。
  • 再次，TCP的可靠性，还体现在可控制。它有报文校验、ACK应答、超时重传(发送方)、失序数据重传（接收方）、丢弃重复数据、流量控制（滑动窗口）和拥塞控制等机制。

9. TCP 重传机制

超时重传

TCP 为了实现可靠传输，实现了重传机制。最基本的重传机制，就是超时重传，即在发送数据报文时，设定一个定时器，每间隔一段时间，没有收到对方的ACK确认应答报文，就会重发该报文。

这个间隔时间，一般设置为多少呢？我们先来看下什么叫RTT（Round-Trip Time，往返时间）。

RTT就是，一个数据包从发出去到回来的时间，即数据包的一次往返时间。超时重传时间，就是Retransmission Timeout ，简称RTO。

RTO设置多久呢？

  • 如果RTO比较小，那很可能数据都没有丢失，就重发了，这会导致网络阻塞，会导致更多的超时出现。
  • 如果RTO比较大，等到花儿都谢了还是没有重发，那效果就不好了。

一般情况下，RTO略大于RTT，效果是最好的。一些小伙伴会问，超时时间有没有计算公式呢?有的！有个标准方法算RTO的公式，也叫Jacobson / Karels 算法。我们一起来看下计算RTO的公式

1. 先计算SRTT（计算平滑的RTT）

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT  //求 SRTT 的加权平均
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2. 再计算RTTVAR (round-trip time variation)

RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * (|RTT - SRTT|) //计算 SRTT 与真实值的差距
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3. 最终的RTO

RTO = µ * SRTT + ∂ * RTTVAR  =  SRTT + 4·RTTVAR  
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其中，α = 0.125，β = 0.25， μ = 1，∂ = 4，这些参数都是大量结果得出的最优参数。

但是，超时重传会有这些缺点：

  • 当一个报文段丢失时，会等待一定的超时周期然后才重传分组，增加了端到端的时延。
  • 当一个报文段丢失时，在其等待超时的过程中，可能会出现这种情况：其后的报文段已经被接收端接收但却迟迟得不到确认，发送端会认为也丢失了，从而引起不必要的重传，既浪费资源也浪费时间。

并且，TCP有个策略，就是超时时间间隔会加倍。超时重传需要等待很长时间。因此，还可以使用快速重传机制。

快速重传

快速重传机制，它不以时间驱动，而是以数据驱动。它基于接收端的反馈信息来引发重传。

一起来看下快速重传流程：

快速重传流程

发送端发送了 1，2，3，4，5,6 份数据:

  • 第一份 Seq=1 先送到了，于是就 Ack 回 2；
  • 第二份 Seq=2 也送到了，假设也正常，于是ACK 回 3；
  • 第三份 Seq=3 由于网络等其他原因，没送到；
  • 第四份 Seq=4 也送到了，但是因为Seq3没收到。所以ACK回3；
  • 后面的 Seq=4,5的也送到了，但是ACK还是回复3，因为Seq=3没收到。
  • 发送端连着收到三个重复冗余ACK=3的确认（实际上是4个，但是前面一个是正常的ACK，后面三个才是重复冗余的），便知道哪个报文段在传输过程中丢失了，于是在定时器过期之前，重传该报文段。
  • 最后，接收到收到了 Seq3，此时因为 Seq=4，5，6都收到了，于是ACK回7.

但快速重传还可能会有个问题：ACK只向发送端告知最大的有序报文段，到底是哪个报文丢失了呢？并不确定！那到底该重传多少个包呢？

是重传 Seq3 呢？还是重传 Seq3、Seq4、Seq5、Seq6 呢？因为发送端并不清楚这三个连续的 ACK3 是谁传回来的。

带选择确认的重传（SACK）

为了解决快速重传的问题：应该重传多少个包? TCP提供了SACK方法（带选择确认的重传，Selective Acknowledgment）。

SACK机制就是，在快速重传的基础上，接收端返回最近收到的报文段的序列号范围，这样发送端就知道接收端哪些数据包没收到，酱紫就很清楚该重传哪些数据包啦。SACK标记是加在TCP头部选项字段里面的。

SACK机制

如上图中，发送端收到了三次同样的ACK=30的确认报文，于是就会触发快速重发机制，通过SACK信息发现只有30~39这段数据丢失，于是重发时就只选择了这个30~39的TCP报文段进行重发。

D-SACK

D-SACK，即Duplicate SACK（重复SACK），在SACK的基础上做了一些扩展，，主要用来告诉发送方，有哪些数据包自己重复接受了。DSACK的目的是帮助发送方判断，是否发生了包失序、ACK丢失、包重复或伪重传。让TCP可以更好的做网络流控。来看个图吧：

D-SACK简要流程

10. 聊聊TCP的滑动窗口

TCP 发送一个数据，需要收到确认应答，才会发送下一个数据。这样有个缺点，就是效率会比较低。

这就好像我们面对面聊天，你说完一句，我应答后，你才会说下一句。那么，如果我在忙其他事情，没有能够及时回复你。你说完一句后，要等到我忙完回复你，你才说下句，这显然很不现实。

为了解决这个问题，TCP引入了窗口，它是操作系统开辟的一个缓存空间。窗口大小值表示无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。

TCP头部有个字段叫win，也即那个16位的窗口大小，它告诉对方本端的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，从而达到流量控制的目的。

通俗点讲，就是接受方每次收到数据包，在发送确认报文的时候，同时告诉发送方，自己的缓存区还有多少空余空间，缓冲区的空余空间，我们就称之为接受窗口大小。这就是win。

TCP 滑动窗口分为两种: 发送窗口和接收窗口。发送端的滑动窗口包含四大部分，如下：

  • 已发送且已收到ACK确认
  • 已发送但未收到ACK确认
  • 未发送但可以发送
  • 未发送也不可以发送

  • 虚线矩形框，就是发送窗口。
  • SND.WND: 表示发送窗口的大小,上图虚线框的格子数就是14个。
  • SND.UNA: 一个绝对指针，它指向的是已发送但未确认的第一个字节的序列号。
  • SND.NXT：下一个发送的位置，它指向未发送但可以发送的第一个字节的序列号。

接收方的滑动窗口包含三大部分，如下：

  • 已成功接收并确认
  • 未收到数据但可以接收
  • 未收到数据并不可以接收的数据

  • 虚线矩形框，就是接收窗口。
  • REV.WND: 表示接收窗口的大小,上图虚线框的格子就是9个。
  • REV.NXT:下一个接收的位置，它指向未收到但可以接收的第一个字节的序列号。