TCP三次握手和四次挥手面试题

1.TCP基础知识

 1.1 TCP头格式有哪些

 TCP头部格式中包含源端口号、目标端口号，序列号，确认应答号，控制位，窗口大小，校验和，紧急指针，选项，数据等等。

• 序列号：在建立连接时由计算机生成的随机数作为其初始值，通过SYN包传给接收端主机，每发送一次数据，就[累加]一次该[数据字节数]的大小。用来解决网络包乱序问题。
• 确认应答号：指下一次[期望]收到的数据的序列号，发送端收到这个确认应答后人为这个序号以前的数据都被正常接收。用来解决丢包的问题。
• 控制位：

1. ACK：该位为1时，[确认应答]的字段变为有效，TCP规定除最初建立连接时的SYN包之外该位必须设置为1；
2. RST：该位为1时，表示TCP连接中出现异常必须强制断开连接；
3. SYN：该位为1时，表示希望建立连接，并在其[序列号]的字段进行序列号初始值的设定；
4. FIN：该位为1时，表示后面不会再有数据，希望断开连接。当通信结束希望断开连接时，通信双方的主机之间就可以相互交换FIN为为1的TCP段。

1.2 为什么需要TCP协议？TCP工作在哪一层？

　　因为IP层是不可靠的，不保证网络包的交付，不保证网络包的按序交付，也不保证网络包中的数据完整性。如果需要保障网络数据包的可靠性，那么就需要由上层（传输层）的TCP负责可靠传输。

　　TCP是一个工作在传输层的可靠数据传输的协议，能确保接收端接受的网络包无损坏、无间隔、非冗余且有序。

1.3 什么是TCP？

　　TCP是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

• 面向连接：一定是[一对一]才能连接，不像UDP可以一个主机同时向多个主机发送消息即一对多；
• 可靠：无论网络链路中出现什么变化，TCP都可以保证一个报文一定能够到达接收端；
• 字节流：用户消息通过TCP协议传输传输时，消息可能会被操作系统[分组]程多个TCP报文，如果接收方的程序不知道[消息的边界]，那么无法读出一个有效的用户消息。TCP报文是[有序的]，当前一个TCP报文没有收到时，即使收到后面的报文，也不能将其交给应用层处理，同时对[重读]报文自动丢弃。

1.4 什么是TCP连接

　　用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息（Socket、序列号和窗口大小）称为连接。

 　　建立一个TCP连接需要客户端和服务端达成Socket、序列号、窗口大小等三个信息的共识。

• Socket：由IP地址和端口号组成
• 序列号：用来解决乱序问题
• 窗口大小：做流量控制

1.5 如何确定一个TCP连接？

　　　　通过TCP四元组（源地址、源端口、目的地址、目的端口）可以唯一确定一个TCP连接。

　　源地址和目的地址的字段（32 位）是在 IP 头部中，作用是通过 IP 协议发送报文给对方主机。源端口和目的端口的字段（16 位）是在 TCP 头部中，作用是告诉 TCP 协议应该把报文发给哪个进程。

1.5.1 IP服务端监听一个端口，它的TCP最大连接数是多少

　　服务端固定在某个本地端口监听，等待客户端的连接请求。因此，客户端IP和端口可变，理论值计算公式如下：

 　　对 IPv4，客户端的 IP 数最多为 2 的 32 次方，客户端的端口数最多为 2 的 16 次方，也就是服务端单机最大 TCP 连接数，约为 2 的 48 次方。

1.6 TCP和UDP区别，以及各自应用场景？

　　UDP是无连接的通信协议，它的头部格式如下：

•  目标和源端口：告诉UDP协议将报文发送给哪个进程；
• 包长度：保存UDP首部的长度和数据长度之和；
• 校验和：提供可靠的首部和数据，防止收到网络传输中的受损UDP包

1.6.1 区别

1. 连接：TCP是面向连接的传输层协议，传输数据前先建立连接；UDP不需要连接，即可传输数据
2. 服务对象：TCP是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点；UDP支持一对一、一对多，多对多的交互通信；
3. 可靠性：TCP是可靠交互数据，数据可以误差粗、不丢失、不重复、按序到达；UDP是尽最大努力交付，不保证可靠交互数据，但基于QUIC可以实现可靠传输；
4. 拥塞控制、流量控制：TCP有拥塞控制和流量控制机制，保证数据安全传输。UDP没有，但网络堵塞不影响UDP发送效率；
5. 首部开销：TCP首部较长，未使用选项就有二十个字节，使用后更长；UDP首部只有八个字节，且固定不变，开销较小；
6. 传输方式：TCP是流式传输，无边界，但保证顺序和可靠；UDP是一个包一个包传送，有边界，但可能丢包和乱序。
7. 分片不同：TCP数据大小大于MSS则会在传输层分片，目标主机也会在传输层组装TCP数据包，若中途丢包，重传丢失包即可；UDP数据大小若大于MTU，则会在IP分片，目标主机会在IP组装数据，接着传输给传输层。

1.6.2 应用场景

　　由于 TCP 是面向连接，能保证数据的可靠性交付，因此经常用于：FTP 文件传输，HTTP / HTTPS；由于 UDP 面向无连接，它可以随时发送数据，再加上 UDP 本身的处理既简单又高效，因此经常用于：包总量较少的通信，如 DNS 、SNMP 等；视频、音频等多媒体通信；广播通信。

1.7 TCP和UDP可使用同一个端口吗

　　可以的。传输层有两个传输协议分别是 TCP 和 UDP，在内核中是两个完全独立的软件模块。当主机收到数据包后，可在 IP 包头的「协议号」字段查看该数据包是 TCP/UDP，所以可根据IP首部确定送给哪个模块（TCP/UDP）处理，送给 TCP/UDP 模块的报文根据「端口号」确定送给哪个应用程序处理。

2.连接建立

 

3.连接断开

 

4.Socket编程

 

5.参考文章

本人博客内容是基于小林coding的图解系统写的，中间省略了部分内容，大家可以去小林coding博客看更详细的图解网络，链接为：小林coding (xiaolincoding.com)。