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计算机网络面试题之TCP/IP

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请你说一下TCP怎么保证可靠性,并且简述一下TCP建立连接和断开连接的过程

TCP保证可靠性:

(1)序列号、确认应答、超时重传: 数据到达接收方,接收方需要发出一个确认应答,表示已经收到该数据段,并且确认序号会说明了它下一次需要接收的数据序列号。如果发送发迟迟未收到确认应答,那么可能是发送的数据丢失,也可能是确认应答丢失,这时发送方在等待一定时间后会进行重传。这个时间一般是2RTT(报文段往返时间)+一个偏差值。

(2)窗口控制与高速重发控制/快速重传(重复确认应答): TCP会利用窗口控制来提高传输速度,意思是在一个窗口大小内,不用一定要等到应答才能发送下一段数据,窗口大小就是无需等待确认而可以继续发送数据的最大值。如果不使用窗口控制,每一个没收到确认应答的数据都要重发。使用窗口控制,如果数据段1001-2000丢失,后面数据每次传输,确认应答都会不停地发送序号为1001的应答,表示我要接收1001开始的数据,发送端如果收到3次相同应答,就会立刻进行重发;但还有种情况有可能是数据都收到了,但是有的应答丢失了,这种情况不会进行重发,因为发送端知道,如果是数据段丢失,接收端不会放过它的,会疯狂向它提醒……

(3)拥塞控制: _如果把窗口定的很大,发送端连续发送大量的数据,可能会造成网络的拥堵(大家都在用网,你在这狂发,吞吐量就那么大,当然会堵),甚至造成网络的瘫痪。所以TCP在为了防止这种情况而进行了拥塞控制。慢启动:定义拥塞窗口,一开始将该窗口大小设为1,之后每次收到确认应答(经过一个rtt),将拥塞窗口大小_2。拥塞避免:设置慢启动阈值,一般开始都设为65536。拥塞避免是指当拥塞窗口大小达到这个阈值,拥塞窗口的值不再指数上升,而是加法增加(每次确认应答/每个rtt,拥塞窗口大小+1),以此来避免拥塞。将报文段的超时重传看做拥塞,则一旦发生超时重传,我们需要先将阈值设为当前窗口大小的一半,并且将窗口大小设为初值1,然后重新进入慢启动过程。快速重传:在遇到3次重复确认应答(高速重发控制)时,代表收到了3个报文段,但是这之前的1个段丢失了,便对它进行立即重传。然后,先将阈值设为当前窗口大小的一半,然后将拥塞窗口大小设为慢启动阈值+3的大小。这样可以达到:在TCP通信时,网络吞吐量呈现逐渐的上升,并且随着拥堵来降低吞吐量,再进入慢慢上升的过程,网络不会轻易的发生瘫痪。

TCP建立连接和断开连接的过程如图所示:

image.png

三次握手:

Client将标志位SYN置为1,随机产生一个值seq=J,并将该数据包发送给Server,Client进入SYN_SENT状态,等待Server确认。

Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接,Server将标志位SYN和ACK都置为1,ack=J+1,随机产生一个值seq=K,并将该数据包发送给Client以确认连接请求,Server进入SYN_RCVD状态。

Client收到确认后,检查ack是否为J+1,ACK是否为1,如果正确则将标志位ACK置为1,ack=K+1,并将该数据包发送给Server,Server检查ack是否为K+1,ACK是否为1,如果正确则连接建立成功,Client和Server进入ESTABLISHED状态,完成三次握手,随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

四次挥手:

  由于TCP连接时全双工的,因此,每个方向都必须要单独进行关闭,这一原则是当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了,即不会再收到数据了,但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭,而另一方则执行被动关闭。

  1. 数据传输结束后,客户端的应用进程发出连接释放报文段,并停止发送数据,客户端进入FIN_WAIT_1状态,此时客户端依然可以接收服务器发送来的数据。
  2. 服务器接收到FIN后,发送一个ACK给客户端,确认序号为收到的序号+1,服务器进入CLOSE_WAIT状态。客户端收到后进入FIN_WAIT_2状态。
  3. 当服务器没有数据要发送时,服务器发送一个FIN报文,此时服务器进入LAST_ACK状态,等待客户端的确认
  4. 客户端收到服务器的FIN报文后,给服务器发送一个ACK报文,确认序列号为收到的序号+1。此时客户端进入TIME_WAIT状态,等待2MSL(MSL:报文段最大生存时间),然后关闭连接。

请你说一说TCP的三次握手和四次挥手的过程及原因

TCP的三次握手过程如下

C-> SYN -> S S->SYN/ACK->C C->ACK->S

TCP的四次挥手过程如下:

C->FIN->S S->ACK->C S->FIN->C C->ACK->S 三次握手的原因: 三次握手可以防止已经失效的连接请求报文突然又传输到服务器端导致的服务器资源浪费。例如,客户端先发送了一个SYN,但是由于网络阻塞,该SYN数据包在某个节点长期滞留。然后客户端又重传SYN数据包并正确建立TCP连接,然后传输完数据后关闭该连接。该连接释放后失效的SYN数据包才到达服务器端。在二次握手的前提下,服务器端会认为这是客户端发起的又一次请求,然后发送SYN ,并且在服务器端创建socket套接字,一直等待客户端发送数据。但是由于客户端并没有发起新的请求,所以会丢弃服务端的SYN 。此时服务器会一直等待客户端发送数据从而造成资源浪费。 四次挥手的原因: 由于连接的关闭控制权在应用层,所以被动关闭的一方在接收到FIN包时,TCP协议栈会直接发送一个ACK确认包,优先关闭一端的通信。然后通知应用层,由应用层决定什么时候发送FIN包。应用层可以使用系统调用函数read==0来判断对端是否关闭连接。

TCP拥塞控制?以及达到什么情况的时候开始减慢增长的速度?

  拥塞控制是防止过多的数据注入网络,使得网络中的路由器或者链路过载。流量控制是点对点的通信量控制,而拥塞控制是全局的网络流量整体性的控制。发送双方都有一个拥塞窗口——cwnd。

  1. 慢开始: 最开始发送方的拥塞窗口为1,由小到大逐渐增大发送窗口和拥塞窗口。每经过一个传输轮次,拥塞窗口cwnd加倍。当cwnd超过慢开始门限,则使用拥塞避免算法,避免cwnd增长过大。
  2. 拥塞避免: 每经过一个往返时间RTT,cwnd就增长1。另外在慢开始和拥塞避免的过程中,一旦发现网络拥塞,就把慢开始门限设为当前值的一半,并且重新设置cwnd为1,重新慢启动。(乘法减小,加法增大)
  3. 快重传: 接收方每次收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认,发送方只要连续收到三个重复确认就立即重传(尽早重传未被确认的报文段)。
  4. 快恢复: 当发送方连续收到了三个重复确认,就乘法减半(慢开始门限减半),将当前的cwnd设置为慢开始门限,并且采用拥塞避免算法(连续收到了三个重复请求,说明当前网络可能没有拥塞)。

 采用快恢复算法时,慢开始只在建立连接和网络超时才使用。

请问tcp握手为什么两次不可以?为什么不用四次?

两次不可以:

  tcp是全双工通信,两次握手只能确定单向数据链路是可以通信的,并不能保证反向的通信正常。

不用四次:

  本来握手应该和挥手一样都是需要确认两个方向都能联通的,本来模型应该是:

  1. 客户端发送syn0给服务器
  2. 服务器收到syn0,回复ack(syn0+1)
  3. 服务器发送syn1
  4. 客户端收到syn1,回复ack(syn1+1)

  因为tcp是全双工的,上边的四部确认了数据在两个方向上都是可以正确到达的,但是2,3步没有没有上下的联系,可以将其合并,加快握手效率,所有就变成了3步握手。

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