TCP 连接

面试题传送

TCP 报文格式

此处介绍建立或者断开TCP连接时，需要了解的TCP报文段首部字段含义：

序列号 seq：占4个字节（32位），用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号 seq 就是这个报文段中的第一个字节的数据序号。
确认号 ack：占4个字节（32位），期待收到对方下一个报文段的第一个字节的数据序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的序号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的序号；因此当前报文段最后一个字节的序号 +1 即为确认号。

TAG	Description
URG	紧急指针标志，为 1 时表示紧急指针有效，为 0 则忽略紧急指针
ACK	确认序号标志，为 1 时表示确认号有效，为 0 表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段
PSH	PUSH 标志，PUSH 标志为 1 的 TCP报文段，接收方在接收到该 TCP报文段 以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队
RST	重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因（拒绝非法的报文段或连接请求）而出现错误的连接
SYN	同步序号标志，用于建立 TCP 连接，在连接请求中，SYN=1，ACK=0；而连接响应中，SYN=1，ACK=1
FIN	断开连接标志，用于断开 TCP 连接，在断开连接请求中，FIN=1，ACK=0；而断开连接响应分两个步骤（需要传完全部数据），第一部分：FIN=0，ACK=1，第二部分：FIN=1，ACK=1

TCP 三次握手

第一次握手：建立连接时，客户端发送同步 SYN 包（seq=x）到服务器，并进入 SYN_SENT 状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到同步 SYN 包，必须返回给客户端一个确认 ACK（ack=x+1），同时自己也发送一个同步 SYN（seq=y），即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态；

第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 包，向服务器发送确认 ACK 包(ack=y+1），此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED（TCP连接成功） 状态，完成三次握手 。

TCP 四次挥手

第一次挥手：客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。释放数据报文首部，FIN=1，其序列号为 seq=u（等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加 1），此时，客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。 TCP规定，FIN 报文段即使不携带数据，也要消耗一个序号；
第二次挥手：服务器收到连接释放报文，发出确认报文 ACK=1，ack=u+1，并且带上自己的序列号 seq=v，此时，服务端就进入了 CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个 CLOSE-WAIT 状态持续的时间；
第三次挥手：客户端收到服务器的确认请求后，此时，客户端就进入 FIN-WAIT-2 状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接受服务器发送的最后的数据）；
第四次挥手：服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文 FIN=1，ack=u+1，由于在半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为 seq=w，此时，服务器就进入了 LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认；
四次挥手后的等待（确保服务端收到第四次挥手TCP报文）：客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack=w+1，而自己的序列号是 seq=u+1，此时，客户端就进入了 TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过 2MSL（最长报文段寿命）的时间后，客户端才会撤销相应的 TCB（Thread Control Block）线程控制块，进入 CLOSED 状态。而服务器只要收到了客户端发出的确认，立即撤销 TCB，进入 CLOSED 状态，结束这次 TCP 连接 。可以看到，服务器结束 TCP 连接的时间要比客户端早一些 。

常见面试题

【问题1】为什么建立连接的时候是三次握手，端口连接的时候却是四次握手？
（因为断开连接时，需要传完当前连接剩余的数据，而建立连接时，并不需要此步骤）
答：因为当 Server端 收到 Client端 的SYN连接请求报文后，可以直接发送 SYN+ACK报文。其中 ACK报文 是用来应答的，SYN报文 是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到 FIN报文 时，很可能并不会立即关闭 SOCKET，所以只能先回复一个 ACK报文，告诉 Client 端，“你发的FIN报文我收到了”。只有等到我 Server 所有的报文都发送完了，我才能发送 FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

【问题2】为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？
（为了确保 Server 收到了 ACK 报文段）
答：虽然按道理，四个报文都发送完毕，我们可以直接进入 CLOSE 状态了，但是我们必须假想网络是不可靠的，有可以最后一个 ACK报文 丢失。所以 TIME_WAIT 状态就是用来重发可能丢失的 ACK报文。在 Client 发送出最后的 ACK报文时，该ACK报文丢失。Server如果没有收到 ACK报文，将不断重复发送 FIN报文段。所以 Client 不能立即关闭，它必须确认 Server 接收到了最后的 ACK报文。Client会在发送出 ACK报文之后进入到 TIME_WAIT 状态。Client 会设置一个计时器，等待 2MSL 的时间。如果在该时间内再次收到 FIN报文，那么 Client 会重发 ACK报文 并再次等待 2MSL 的时间；所谓的 2MSL 是两倍的 MSL(Maximum Segment Lifetime)，MSL 指一个片段在网络中最大的存活时间，2MSL 就是一个发送和一个回复所需的最大时间。如果等待了 2MSL 之后，Client 没有再次收到 FIN，那么 Client 推断 ACK报文 已经被 Server 成功接收，则结束 TCP 连接。

【问题3】为什么不能用两次握手进行连接？
（假设两次握手，可能发生两种异常情况）
答：三次握手完成两个重要的功能，既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好)，也要允许双方就初始序列号进行协商，这个序列号在握手过程中被发送和确认。
现在把三次握手改成仅需要两次握手，考虑计算机 Server 和 Client 之间的通信，假定 Client 给 Server 发送一个连接请求（SYN=1）分组，Server 收到了这个分组，并发送了确认应答（SYN=1，ACK=1）分组。按照两次握手的协定，Server 认为连接已经成功地建立了，可以开始发送数据分组 。但此时可能会有两种异常情况：

①.Client 的请求分组（SYN=1）在传输中被堵塞（并非丢失）的情况下，由于请求分组在网络中滞留的时间过长，Client 很久得不到 Server 的应答分组，将会发起第二个请求分组（SYN=1），Server 收到了第二个请求分组，即刻返回确认分组（SYN=1，ACK=1），建立连接；但第一个请求分组（SYN=1）并没有丢失（对于 Client 而言此请求分组已经丢失或者失效），在连接释放以后的某个时间才到达 Server，此时 Server 会误认为是 Client 又发出的新的建立连接请求，于是又返回确认分组（SYN=1，ACK=1），又建立了连接，但是 Client 实际上并没有发出请求分组（SYN=1），不会理睬 Server 的确认分组（SYN=1，ACK=1），也不会向 Server 发送数据，而 Server 却以为新的连接已经建立，并一直等待 Client 发送数据，这样就白白浪费了 Server 的许多资源 。
②.Server 的应答分组（SYN=1，ACK=1）在传输中被丢失的情况下，Client 将不知道 Server 是否已准备好，不知道 Server 建立什么样的序列号，Client 甚至怀疑 Server 是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下，Client 认为连接还未建立成功，将忽略 Server 发来的任何数据分组，只等待连接确认应答分组 。而 Server 在发出的分组超时后，重复发送同样的分组 。这样就形成了死锁 。

【问题4】如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
（保活计时器）
TCP连接设有一个保活计时器，显然，客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务器每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，接着就关闭连接 。