[网络协议]网络面试知识点整理

一、TCP实现原理

1、协议介绍

TCP（传输控制协议，协议ID-6）提供面向连接且可靠的字节流服务，通过最大分段大小（MSS），应用数据被分割成合适的数据段，在以太网上MSS最大值为1500-20-20=1460字节，三次握手时由两端协商（SYN选项中），如果不设置，在因特网上默认MSS为536字节（一般取512的倍数，512字节），MTU = MSS + TCP Header + IP Header + Data

链路层长度为18字节，包含数据帧头（smac + dmac + proto = 14Byte）和帧尾（FCS = 4Byte），最大传输单元（MTU）长度一般为1500字节，网络层IP包首部长度最小为20字节，传输层UDP首部长度为8字节，所以应用层最大长度为1500-20-8=1472字节，大于则需要IP分片。在因特网上的标准MTU一般为576字节（以太网为1500），所以应用层数据长度最好限制在576-20-8=548字节，如果IP分片则IP数据包的最大长度为64K（IP首部描述长度的字段为2字节，最大表示65535字节）

2、TCP三次握手

客户端：CLOSED -> 发送SYN -> SYN_SEND -> 收到SYN+ACK并发送ACK -> ESTABLISHD
服务器:：CLOSED -> 收到SYN -> LISTEN -> 发送SYN+ACK -> SYN_RECV -> 收到ACK -> ESTABLISHD
同时打开：CLOSED -> 发送SYN -> SYN_SEND -> 收到SYN并发送ACK -> SYN_RECV -> 收到ACK -> ESTABLISHD
为什么是三次：TCP为全双工，建立连接需要确认双方的收发通道正常，少于三次则服务器无法确认客户端的接受报文通道正常，大于三次则冗余

3、TCP四次挥手

客户端：ESTABLISHD -> 发送FIN -> FIN_WAIT1 -> 收到ACK -> FIN_WINT2 -> 收到FIN并发送ACK -> TIME_WAIT -> 等待2MSL -> CLOSED
服务器：ESTABLISHD -> 收到FIN并发送ACK -> CLOSE_WAIT -> 发送FIN -> LAST_ACK -> 收到ACK -> CLOSED
同时关闭：ESTABLISHD -> 发送FIN -> FIN_WAIT1 -> 收到FIN并发送ACK -> CLOSED
为什么是四次：被动关闭方可能还有数据未发送，所以主动关闭方发送FIN报文后，对端回复带负载的ACK，之后再发送FIN报文，如果没有数据发送则对端响应FIN+ACK报文，最后主动关闭端发送ACK是通知对端已收到FIN报文
TIME_WAIT状态：等待2MSL（最长报文段生存时间，RFC793规定120s，Centos默认60s），原因一是确保对端收到最后的ACK，防止ACK报文丢失对端重传FIN报文，或者一直是LAST_ACK状态RST SYN报文；原因二是防止接收到旧连接的延迟数据包
TIMW_WAIT过多：影响为占用过多的本地端口（服务器主动关闭），占用连接资源，新建TCP连接出错
TIMW_WAIT解决方案：一是调整系统内核参数（允许TIME_WAIT状态socket用于新的连接或者快速回收），修改HTTP短连接为长链接（keep-alive）

4、TCP拥塞控制

慢启动：连接建立后拥塞窗口（cwnd）初始化大小为MSS，每当收到一个ACK则拥塞窗口增加一个MSS，发送窗口实现指数增长1->2->4->8…

1. 出现响应超时后，慢启动阈值（ssthresh）设置拥塞窗口值的一半，拥塞窗口重置为MSS，继续指数增长
2. 拥塞窗口指数增长到慢启动阈值后，结束慢启动并开始拥塞避免模式，窗口进入线性增长
3. 收到连续三次重复ACK，进入快重传和快恢复模式

拥塞避免：

1. 乘法减小：无论是慢启动还是拥塞避免阶段，只要发生丢包，慢启动阈值均设置为拥塞窗口的一半
2. 加法增大：拥塞窗口增长到慢启动阈值后，每经过一个往返时间（RTT）拥塞窗口增加MSS，线性增加防止窗口指数增长过快提前导致拥塞

快恢复：

1. 收到连续三次重复ACK，执行拥塞避免乘法减小后，推断网络可能没有阻塞，所以不执行慢启动算法，将拥塞窗口设置为新的慢启动阈值+3MSS（三次重传ACK），然后执行拥塞避免加法增大
2. 收到之前已发送所有报文的ACK后退出快恢复，重新设置拥塞窗口为慢启动阈值，再次执行加法增大

快重传：

1. 接收方每收到一个失序报文段就立即发送重复确认ACK（为上一次发送的ACK）
2. 发送方收到连续三次重复ACK则立刻重传接收方尚未确认的报文段

5、路由器拥塞控制

网络发生拥塞时路由器根据平均包长来随机丢弃TCP报文，使一部分连接放缓来保证其他连接正常
ECN（显式拥塞通知）：通过TCP发送端和接收端以及路由器的配合感知路径拥塞，在路由器转发报文时，对超过平均长度的TCP报文进行ECN标记（IP首部TOS第7-8bit，00不支持，11发送拥塞），不再丢弃报文，报文到达接收端后，接收端响应ACK报文中对TCP ECE字段置位，以此来通知发送端将拥塞窗口缩小，发送端发送报文时将CWR字段置位

5、滑动窗口

根据时间轴分类：已发送已确认、已发送未确认、未发送已允许、未发送未允许
滑动窗口的作用：

1. 流量控制，接收方通告自己的接受窗口大小，从而控制发送方的发送速率，以免出现丢包
2. 可靠性，只有收到接收方在发送窗口内的ACK才会右移滑动窗口，保证已发送数据得到确认

6、TCP首部字段

源目的端口(sport/dport)：2Byte，标识传输层与应用层的服务接口
序列号(seq)：4Byte，标识当前报文的第一个字节序号，SYN和FIN均占用一个序列号
确认号(ack)：4Byte，标识接收端期望收到的下一个报文第一个字节的序列号
首部长度(header)：4Bit，整个首部长度，包含选项，单位为4Byte
保留位(reverse)：4Bit，暂时保留为0
CWR：1Bit，标识减小拥塞窗口，发送方收到ack报文中ECE标记置位后设置，发送速率减半
ECE：1Bit，标识通知发送端减小拥塞窗口，接收方收到IP首部ECN字段置位11后设置（三次握手时ECE置位表示支持ECN功能）
URG：1Bit，标识紧急指针字段有效，通知系统高优先级发送该报文段
ACK：1Bit，标识确认号字段有效
PSH：1Bit，标识收到PSH置位的报文应尽可能的不再等待缓存满再交付应用程序处理
RST：1Bit，标识收到报文后应释放连接
SYN：1Bit，标识连接请求
FIN：1Bit，标识数据已发送或接收完毕，请求释放连接
窗口大小：2Byte，标识数据接收窗口大小，扩容需要结合选项中窗口缩放因子
检验和：2Byte，包含首部和数据的检验，计算时需要在首部前增加12Byte伪首部（源IP 4Byte + 目的IP 4Byte + 保留 1Byte + 传输层协议号 1Byte + 首部加数据长度 2Byte），加入伪首部目的为防止接收到存在路由器的错误数据报
紧急指针：2Byte，标识当前报文段负载中紧急数据字节数，紧急数据在其他数据前
首部选项：最大长度40Byte，字段结构（KindType 1Byte + Length 1Byte + Value nByte），Length表示整个字段长度，包含Kind和Length

填充（NOP）：1Byte，没有Length和Value字段，用来填充为4Byte的整数倍，每个选项不满足时前面均填充n个NOP
最大分段大小(MSS)：4Byte，标识通知本端支持的最大分段大小，默认为536Byte
窗口缩放因子(WSPOT)：3Byte，1Byte可用，标识通知本端窗口大小的左移位数，取值范围0-16（所以窗口最大32Byte），只能出现在SYN报文中，需要双方支持
时间戳(TSPOT)：10Byte，包含时间戳字段和时间戳回显字段，发送方填充时间戳字段（本端内核时间），接收方回复时填充时间戳字段（本端内核时间）和时间戳回显字段（拷贝发送端的时间戳字段值），原因一是计算往返时延RTT，二是防止序列号回绕，即收到流量大时反转后的序列号（序列号为32位）
选择确认(SACK)：(4 * 2 * N + 2)Byte，需要对端支持，即连接时对端发送SACK-Premitted选项；标识接收方已经接收的序列号范围，由N对序列号组成，由于选项长度限制，最大SACK块数N最大为4；第一块左序列号为已收到第一个乱序报文的序列号，右序列号为第一个乱序报文开始不连续的结束序列号+1，例如已收到乱序报文11-20和31-40，所以第一块左11，右21，第二块左31，右41，结合ACK就可以判断重传哪些报文

7、TCP分段重组

分段：需要传输的数据大于MSS时，对数据进行分段传输，每个报文段都包含TCP首部
重组：报文段到达接收方后，将应用层数据根据TCP首部序列号进行分段重组
TCP粘包：缓存多个应用需要发送的数据由单个报文段发出，TCP协议本身造成；一是发送方粘包，原因为应用连续几次发送的数据很小，TCP协议通过Nagle算法缓存N次数据包合并为一个报文段发出；二是接收方粘包，原因为应用接收数据不及时导致系统缓冲区堆积，一次取得多个数据包；粘包处理方法为->数据包发送前添加首部长度、发送固定长度数据、设置边界

8、网络编程模型

二、UDP实现原理

1、协议介绍

UDP（用户数据报协议，协议ID-17）提供面向报文的传输服务，是一种无连接低可靠性的协议，支持一对多或多对一传输数据
特点：

1. 无连接，不需要建立连接，支持一对多或多对一传输数据
2. 面向报文，一次交付一个完整报文
3. 尽可能努力交付，协议本身没有可靠性机制，比如拥塞控制机制
4. 首部开销小，节省资源

2、UDP首部

源目的端口(sport/dport)：2Byte，标识传输层与应用层的服务接口
长度(Length)：2Byte，标识udp首部和用户数据长度，最小8Byte
校验和：2Byte，包含首部和数据的检验，计算时需要在首部前增加12Byte伪首部（源IP 4Byte + 目的IP 4Byte + 保留 1Byte + 传输层协议号 1Byte + 首部加数据长度 2Byte），加入伪首部目的为防止接收到存在路由器的错误数据报

3、网络编程模型

三、IP实现原理

1、协议介绍

IP协议（网络互联协议）为传输层的承载协议，提供无连接且不可靠的数据包传输服务

2、IP首部

版本号(Version)：4Bit，标识IP协议版本，0100-IPv4，0110-IPv6
首部长度(HdrLen)：4Bit，标识首部长度，单位4Byte
服务类型(TOS)：8Bit，1-3Bit为优先级（已弃用），4-7Bit标识服务类型，8Bit保留，RFC3168中7-8Bit被用来定义显式拥塞通知（ECN）
总长度(TotalLen)：2Byte，标识首部和数据的长度，单位Byte
标识(Identifer)：2Byte，和标志与片偏移联合使用，所有分片的标识值一样，用于分片重组
标志(Flags)：3Bit，第1Bit保留，第2Bit为DF（Don’t Fragment）表示数据不能分片，第3Bit为MF（More Fregment）表示后面还有其他分片需要重组
片偏移(Fragments Offset)：13Bit，标识数据包在所有分片中的位置，单位为8Byte
生存时间(TTL)：1Byte，标识数据包的生存时间，每一次路由转发减1，为0丢弃，预防环路
协议(Protocol)：1Byte，标识上层使用协议，1-ICMP 2-IGMP 6-TCP 17-UDP
首部校验和：2Byte，校验IP头部，路由器改变TTL需要重新计算
源目的IP：4Byte，除非使用NAT，否则地址不变

选项(Option)：

1. 松散源路由：填充途径路由器IP地址，使数据包沿这些地址传输数据包，允许两个IP之间经过多个路由器
2. 严格源路由：同松散源路由，但不允许两个IP之间经过其他路由器
3. 路由记录：记录每个路由转发出口IP地址
4. 时间戳：记录每个路由转发时间
5. 填充：IP首部单位为4Byte，所以可能需要填充

四、TCP和UDP的区别

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