[网络协议] 计算机网络面试题总结（一）

首先客户端向服务器端发送一段TCP报文
- 标记位为SYN，表示“请求建立新连接”;
- 序号为Seq=X（X一般为1）；
- 随后客户端进入SYN-SENT阶段。
服务器端接收到来自客户端的TCP报文之后，结束LISTEN阶段。并返回一段TCP报文
- 标志位为SYN和ACK，表示“确认客户端的报文Seq序号有效，服务器能正常接收客户端发送的数据，并同意创建新连接”（即告诉客户端，服务器收到了你的数据）；
- 序号为Seq=y；
- 确认号为Ack=x+1，表示收到客户端的序号Seq并将其值加1作为自己确认号Ack的值；随后服务器端进入SYN-RCVD阶段。
客户端接收到来自服务器端的确认收到数据的TCP报文之后，明确了从客户端到服务器的数据传输是正常的，结束SYN-SENT阶段。并返回最后一段TCP报文。
- 标志位为ACK，表示“确认收到服务器端同意连接的信号”（即告诉服务器，我知道你收到我发的数据了）；
- 序号为Seq=x+1，表示收到服务器端的确认号Ack，并将其值作为自己的序号值；
- 确认号为Ack=y+1，表示收到服务器端序号Seq，并将其值加1作为自己的确认号Ack的值；
- 随后客户端进入ESTABLISHED阶段。
服务器收到来自客户端的“确认收到服务器数据”的TCP报文之后，明确了从服务器到客户端的数据传输是正常的。结束SYN-RCVD阶段，进入ESTABLISHED阶段。

????????在客户端与服务器端传输的TCP报文中，双方的确认号Ack和序号Seq的值，都是在彼此Ack和Seq值的基础上进行计算的，这样做保证了TCP报文传输的连贯性。一旦出现某一方发出的TCP报文丢失，便无法继续"握手"，以此确保了"三次握手"的顺利完成。

?2、TCP建立连接为什么要进行三次握手？

????????为了防止服务器端开启一些无用的连接增加服务器开销以及防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误。

????????由于网络传输是有延时的(要通过网络光纤和各种中间代理服务器)，在传输的过程中，比如客户端发起了SYN=1创建连接的请求(第一次握手)。如果服务器端就直接创建了这个连接并返回包含SYN、ACK和Seq等内容的数据包给客户端，这个数据包因为网络传输的原因丢失了，丢失之后客户端就一直没有接收到服务器返回的数据包。客户端可能设置了一个超时时间，时间到了就关闭了连接创建的请求。再重新发出创建连接的请求，而服务器端是不知道的，如果没有第三次握手告诉服务器端客户端收的到服务器端传输的数据的话，服务器端是不知道客户端有没有接收到服务器端返回的信息的。

????????这样没有给服务器端一个创建还是关闭连接端口的请求，服务器端的端口就一直开着，等到客户端因超时重新发出请求时，服务器就会重新开启一个端口连接。那么服务器端上没有接收到请求数据的上一个端口就一直开着，长此以往，这样的端口多了，就会造成服务器端开销的严重浪费。

????????还有一种情况是已经失效的客户端发出的请求信息，由于某种原因传输到了服务器端，服务器端以为是客户端发出的有效请求，接收后产生错误。

????????所以我们需要“第三次握手”来确认这个过程，让客户端和服务器端能够及时地察觉到因为网络等一些问题导致的连接创建失败，这样服务器端的端口就可以关闭了不用一直等待。

????????三次握手的目的是建立可靠的通信信道，说到通讯，简单来说就是数据的发送与接收，而三次握手最主要的目的就是双方确认自己与对方的发送与接收是正常的。

第一次握手，发送端：什么都确认不了；接收端：对方发送正常，自己接受正常
第二次握手，发送端：对方发送，接受正常，自己发送，接受正常 ；接收端：对方发送正常，自己接受正常
第三次握手，发送端：对方发送，接受正常，自己发送，接受正常；接收端：对方发送，接受正常，自己发送，接受正常

3、两次握手不行吗？为什么TCP客户端最后还要发送一次确认呢？

????????主要防止已经失效的连接请求报文突然又传送到了服务器，从而产生错误。

经典场景：客户端发送了第一个请求连接并且没有丢失，只是因为在网络结点中滞留的时间太长了

由于TCP的客户端迟迟没有收到确认报文，以为服务器没有收到，此时重新向服务器发送这条报文，此后客户端和服务器经过两次握手完成连接，传输数据，然后关闭连接。
此时此前滞留的那一次请求连接，网络通畅了到达服务器，这个报文本该是失效的，但是，两次握手的机制将会让客户端和服务器再次建立连接，这将导致不必要的错误和资源的浪费。
如果采用的是三次握手，就算是那一次失效的报文传送过来了，服务端接受到了那条失效报文并且回复了确认报文，但是客户端不会再次发出确认。由于服务器收不到确认，就知道客户端并没有请求连接。

4、什么是SYN洪范泛攻击？

????????SYN Flood利用TCP协议缺陷，发送大量伪造的TCP连接请求，常用假冒的IP或IP号段发来海量的请求连接的第一个握手包（SYN包），被攻击服务器回应第二个握手包（SYN+ACK包），因为对方是假冒IP，对方永远收不到包且不会回应第三个握手包。导致被攻击服务器保持大量SYN_RECV状态的“半连接”，并且会重试默认5次回应第二个握手包，大量随机的恶意syn占满了未完成连接队列，导致正常合法的syn排不上队列，让正常的业务请求连接不进来。【服务器端的资源分配是在二次握手时分配的，而客户端的资源是在完成三次握手时分配的，所以服务器容易受到SYN洪泛攻击】

????????检测 SYN 攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源IP地址是随机的，基本上可以断定这是一次SYN攻击【在 Linux/Unix 上可以使用系统自带的 netstats 命令来检测 SYN 攻击】

5、SYN洪范泛攻击的解决方法？

?缩短超时（SYN Timeout）时间
增加最大半连接数
过滤网关防护
SYN cookies技术：
- 当服务器接受到 SYN 报文段时，不直接为该 TCP 分配资源，而只是打开一个半开的套接字。接着会使用 SYN 报文段的源 Id，目的 Id，端口号以及只有服务器自己知道的一个秘密函数生成一个 cookie，并把 cookie 作为序列号响应给客户端。
- 如果客户端是正常建立连接，将会返回一个确认字段为 cookie + 1 的报文段。接下来服务器会根据确认报文的源 Id，目的 Id，端口号以及秘密函数计算出一个结果，如果结果的值 + 1 等于确认字段的值，则证明是刚刚请求连接的客户端，这时候才为该 TCP 分配资源

6、TCP三次握手中，最后一次回复丢失，会发生什么？

? 如果最后一次ACK在网络中丢失，那么Server端（服务端）该TCP连接的状态仍为SYN_RECV，并且根据 TCP的超时重传机制依次等待3秒、6秒、12秒后重新发送 SYN+ACK 包，以便 Client（客户端）重新发送ACK包
如果重发指定次数后，仍然未收到ACK应答，那么一段时间后，Server（服务端）自动关闭这个连接
但是Client（客户端）认为这个连接已经建立，如果Client（客户端）端向Server（服务端）发送数据，Server端（服务端）将以RST包（Reset，标示复位，用于异常的关闭连接）响应，此时，客户端知道第三次握手失败

7、TCP四次挥手

????????挥手之前主动释放连接的客户端结束ESTABLISHED阶段。随后开始“四次挥手”

首先客户端想要释放连接，向服务器端发送一段TCP报文，其中：
- 标记位为FIN，表示“请求释放连接“；
- 序号为Seq=U；
- 随后客户端进入FIN-WAIT-1阶段，即半关闭阶段。并且停止在客户端到服务器端方向上发送数据，但是客户端仍然能接收从服务器端传输过来的数据。
服务器端接收到从客户端发出的TCP报文之后，确认了客户端想要释放连接，随后服务器端结束ESTABLISHED阶段，进入CLOSE-WAIT阶段（半关闭状态）并返回一段TCP报文
- 标记位为ACK，表示“接收到客户端发送的释放连接的请求”；
- 序号为Seq=V；
- 确认号为Ack=U+1，表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值；
- 随后服务器端开始准备释放服务器端到客户端方向上的连接。客户端收到从服务器端发出的TCP报文之后，确认了服务器收到了客户端发出的释放连接请求，随后客户端结束FIN-WAIT-1阶段，进入FIN-WAIT-2阶段
服务器端自从发出ACK确认报文之后，经过CLOSED-WAIT阶段，做好了释放服务器端到客户端方向上的连接准备，再次向客户端发出一段TCP报文，其中：
- 标记位为FIN，ACK，表示“已经准备好释放连接了”。注意：这里的ACK并不是确认收到服务器端报文的确认报文。
- 序号为Seq=W；
- 确认号为Ack=U+1；表示是在收到客户端报文的基础上，将其序号Seq值加1作为本段报文确认号Ack的值。
- 随后服务器端结束CLOSE-WAIT阶段，进入LAST-ACK阶段。并且停止在服务器端到客户端的方向上发送数据，但是服务器端仍然能够接收从客户端传输过来的数据。
客户端收到从服务器端发出的TCP报文，确认了服务器端已做好释放连接的准备，结束FIN-WAIT-2阶段，进入TIME-WAIT阶段，并向服务器端发送一段报文，其中：
- 标记位为ACK，表示“接收到服务器准备好释放连接的信号”。
- 序号为Seq=U+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其确认号Ack值作为本段报文序号的值。
- 确认号为Ack=W+1；表示是在收到了服务器端报文的基础上，将其序号Seq值加一作为本段报文确认号的值。
- 随后客户端开始在TIME-WAIT阶段等待2MSL
服务器端收到从客户端发出的TCP报文之后结束LAST-ACK阶段，进入CLOSED阶段。由此正式确认关闭服务器端到客户端方向上的连接。
客户端等待完2MSL之后，结束TIME-WAIT阶段，进入CLOSED阶段，由此完成“四次挥手”。

8、为什么“握手”是三次，“挥手”却要四次？

????????TCP建立连接时之所以只需要"三次握手"，是因为在第二次"握手"过程中，服务器端发送给客户端的TCP报文是以SYN与ACK作为标志位的。SYN是请求连接标志，表示服务器端同意建立连接；ACK是确认报文，表示告诉客户端，服务器端收到了它的请求报文。即SYN建立连接报文与ACK确认接收报文是在同一次"握手"当中传输的，所以"三次握手"不多也不少，正好让双方明确彼此信息互通。

????????TCP释放连接时之所以需要“四次挥手”,是因为FIN释放连接报文与ACK确认接收报文是分别由第二次和第三次"握手"传输的。为何建立连接时一起传输，释放连接时却要分开传输？

建立连接时，被动方服务器端结束CLOSED阶段进入“握手”阶段并不需要任何准备，可以直接返回SYN和ACK报文，开始建立连接。
释放连接时，被动方服务器，突然收到主动方客户端释放连接的请求时并不能立即释放连接，因为还有必要的数据需要处理，所以服务器先返回ACK确认收到报文，经过CLOSE-WAIT阶段准备好释放连接之后，才能返回FIN释放连接报文。?

9、为什么TCP挥手每两次中间有一个 FIN-WAIT等待时间？

????????主动关闭的一端调用完close以后（即发FIN给被动关闭的一端，并且收到其对FIN的确认ACK）则进入FIN_WAIT_2状态。如果这个时候因为网络突然断掉、被动关闭的一段宕机等原因，导致主动关闭的一端不能收到被动关闭的一端发来的FIN，这个时候就需要FIN_WAIT_2定时器，如果在该定时器超时的时候，还是没收到被动关闭一端发来的FIN，那么直接释放这个链接，进入CLOSE状态。

10、为什么客户端最后还要等待2MSL？

保证客户端发送的最后一个ACK报文能够到达服务器，因为这个ACK报文可能丢失，服务器已经发送了FIN+ACK报文，请求断开，客户端却没有回应，于是服务器又会重新发送一次，而客户端就能在这个2MSL时间段内收到这个重传的报文，接着给出回应报文，并且会重启2MSL计时器
防止类似与“三次握手”中提到了的“已经失效的连接请求报文段”出现在本连接中。客户端发送完最后一个确认报文后，在这个2MSL时间中，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样新的连接中不会出现旧连接的请求报文。
MSL是Maximum Segment Lifetime英文的缩写，中文可以译为“报文最大生存时间”，他是任何报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。

11、服务器出现了大量 CLOSE_WAIT 状态如何解决？

????????大量 CLOSE_WAIT 表示程序出现了问题，对方的 socket 已经关闭连接，而我方忙于读或写没有及时关闭连接，需要检查代码，特别是释放资源的代码，或者是处理请求的线程配置。

12、大量TIME_WAIT造成的影响？

????????在高并发短连接的TCP服务器上，当服务器处理完请求后立刻主动正常关闭连接。这个场景下会出现大量socket处于TIME_WAIT状态。如果客户端的并发量持续很高，此时部分客户端就会显示连接不上。

????????为什么我们要关注这个高并发短连接呢？

作为服务器，短时间内关闭了大量的Client连接，就会造成服务器上出现大量的TIME_WAIT连接，占据大量的tuple，严重消耗着服务器的资源；
作为客户端，短时间内大量的短连接，会大量消耗的Client机器的端口，毕竟端口只有65535个，端口被耗尽了，后续就无法在发起新的连接了
在这个场景中，短连接表示“业务处理+传输数据的时间远远小于 TIMEWAIT超时的时间”的连接。这里有个相对长短的概念，比如取一个web页面，1秒钟的http短连接处理完业务，在关闭连接之后，这个业务用过的端口会停留在TIMEWAIT状态几分钟，而这几分钟，其他HTTP请求来临的时候是无法占用此端口的

解决方法：

用负载均衡来抗这些高并发的短请求；
强制关闭，发送 RST 包越过TIMEWAIT状态，直接进入CLOSED状态
服务器可以设置 SO_REUSEADDR 套接字选项来避免 TIME_WAIT状态，TIME_WAIT 状态可以通过优化服务器参数得到解决，因为发生TIME_WAIT的情况是服务器自己可控的，要么就是对方连接的异常，要么就是自己没有迅速回收资源，总之不是由于自己程序错误导致的