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首頁(yè) 慕課教程 后端通用面試教程 后端通用面試教程 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)TCP三次握手
阿竺 · 更新于 2021-07-08

1. 前言

TCP 和 UDP 協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要組成協(xié)議，兩者經(jīng)常被拿來(lái)比較，其中 TCP 協(xié)議往往會(huì)被面試官深入考察。

本節(jié)課程將和大家一起學(xué)習(xí)傳輸層的 TCP 和 UDP 協(xié)議。通過(guò)本節(jié)課程，你會(huì)了解到 TCP 和 UDP 協(xié)議的區(qū)別，重點(diǎn)是要掌握 TCP 協(xié)議的三次握手過(guò)程以及三次握手的必要性。

2.1 TCP 和 UDP

面試官提問(wèn)： TCP 協(xié)議和 UDP 協(xié)議有什么區(qū)別？有什么共同點(diǎn)？

題目解析：

相同點(diǎn)：兩個(gè)協(xié)議最大的共同點(diǎn)是都位于 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層。

不同點(diǎn)：我們通過(guò)表格的形式對(duì)比不同。

TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議） UDP（User Datagram Protocol，用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）
是否連接 面向連接 無(wú)連接
傳輸方式 面向字節(jié)流：直接以字節(jié)流形式傳輸 面向報(bào)文：對(duì)于應(yīng)用程序交付的數(shù)據(jù)，添加首部之后就交付給 IP 層
首部格式 20 個(gè)字節(jié)的固定首部 只有 8 個(gè)字節(jié)
是否可靠 可靠傳輸，依靠流量控制和擁塞控制 不可靠傳輸
連接對(duì)象個(gè)數(shù) 一對(duì)一連接 支持一對(duì)一（點(diǎn)到點(diǎn)），一對(duì)多以及多對(duì)多傳輸
適用場(chǎng)景 要求可靠傳輸?shù)膱?chǎng)景，例如發(fā)送郵件和傳輸文件 對(duì)可靠性要求低，效率要求高的場(chǎng)景，例如 QQ 的視頻通話

根據(jù)表格中的特點(diǎn)對(duì)比我們可以總結(jié)得到：

  • TCP 協(xié)議面向連接并且可靠，UDP 協(xié)議無(wú)連接并且不可靠；
  • 雖然 UDP 協(xié)議不可靠，但是在對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求低，對(duì)傳輸速度要求高的場(chǎng)景，可以適用 UDP 協(xié)議。

2.2 TCP 和 UDP 報(bào)文

面試官提問(wèn)： 上述你提到了 UDP 和 TCP 報(bào)文，它們的具體結(jié)構(gòu)是怎樣的？

題目解析：

在上個(gè)題目中我們總結(jié)了 TCP 協(xié)議和 UDP 協(xié)議的不同點(diǎn)，其中談到了 TCP 和 UDP 協(xié)議首部格式不同，接下來(lái)分別畫(huà)圖分析。

圖片描述
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（UDP 報(bào)文首部）

如上圖可見(jiàn)，UDP 首部只有 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括源端口號(hào)、目標(biāo)端口號(hào)、長(zhǎng)度以及校驗(yàn)和。

  • 源端口號(hào)：發(fā)送計(jì)算機(jī)的應(yīng)用端口；
  • 目標(biāo)端口號(hào)：接收端計(jì)算機(jī)的接收端口，也是占用 16 位 Bit；
  • 長(zhǎng)度：表示 UDP 報(bào)文首部以及攜帶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；
  • 校驗(yàn)和：校驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否損壞。

圖片描述
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（TCP 報(bào)文首部）

在畫(huà)完了示意圖之后，關(guān)于 TCP 報(bào)文首部，我們需要解釋的字段：

  • 序號(hào)：對(duì)字節(jié)流編號(hào)，例如本次傳輸?shù)男蛱?hào)是 100，攜帶的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是 100 字節(jié)，那么下次傳輸?shù)男蛱?hào)就是 200；

  • 確認(rèn)號(hào)：客戶(hù)端 A 往服務(wù)器端 B 發(fā)送了一個(gè)報(bào)文，序號(hào)是 100，攜帶的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是 100 字節(jié)，那么 B 往 A 發(fā)送的報(bào)文中確認(rèn)號(hào)就是 200，表示期望收到的下一個(gè)報(bào)文的序號(hào)。

  • 標(biāo)志位 CWR（Congestion Window Reduce）：擁塞窗口減少標(biāo)志；

  • 標(biāo)志位 ECE（ECN Echo）：ECE 標(biāo)志等于 1 時(shí)，通知接收方，表示接收方到這邊的網(wǎng)絡(luò)存在擁塞；

  • 標(biāo)志位 URG（Urgent）：本報(bào)文是否包含緊急數(shù)據(jù)，只有當(dāng) URG=1 時(shí)，"校驗(yàn)和" 后面的 "緊急指針" 字段才有效；

  • 標(biāo)志位 ACK（Acknowledgement）：ACK=1 則表示前面發(fā)送的確認(rèn)號(hào)是否有效，TCP 連接建立之后，ACK 必須設(shè)置為 1；

  • 標(biāo)志位 PSH（Push）：PSH 設(shè)置為 1 則表示需要將收到的數(shù)據(jù)立即傳輸給上層應(yīng)用，否則先放緩存；

  • 標(biāo)志位 RST（Reset）：RST 設(shè)置為 1 則表示 TCP 連接出現(xiàn)異常，需要強(qiáng)制斷開(kāi)；

  • 標(biāo)志位 SYN（Synchronize）：SYN 設(shè)置為 1 則表示希望建立連接；

  • 標(biāo)志位 FIN（Finsish）：FIN 設(shè)置為 1 則表示數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成，可以斷開(kāi) TCP 連接。

上述定義中，序號(hào)、確認(rèn)號(hào)以及 ACK、SYN 和 FIN 標(biāo)志位是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的部分，因?yàn)樵?TCP 建立連接和斷開(kāi)連接時(shí)會(huì)涉及到。

2.3 TCP 三次握手

面試官提問(wèn)： TCP 是如何建立連接的？分析下每個(gè)步驟傳輸了什么樣的數(shù)據(jù)？

題目解析：

圖片描述

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（TCP 三次握手過(guò)程）

首先從行為上分析，TCP 建立連接需要發(fā)送三次報(bào)文，也就是 "三次握手" 的過(guò)程。

我們定義發(fā)送報(bào)文的一方是客戶(hù)端，接收?qǐng)?bào)文的一方是服務(wù)器端。

首先服務(wù)器端處于監(jiān)聽(tīng)（LISTEN）的狀態(tài)，否則不會(huì)收到客戶(hù)端發(fā)來(lái)的請(qǐng)求。

（1）第一次握手：客戶(hù)端往服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求建立連接報(bào)文，報(bào)文首部 SYN 標(biāo)志位 = 1，給定一個(gè)初始的 Seq 序號(hào) x。之后客戶(hù)端進(jìn)入 SYN_SEN（同步發(fā)送）狀態(tài)；

（2）第二次握手：服務(wù)器端收到請(qǐng)求報(bào)文，如果同意建立連接，則向客戶(hù)端發(fā)送確認(rèn)報(bào)文。確認(rèn)報(bào)文中 SYN 標(biāo)志位 = 1，ACK 標(biāo)志位 = 1，同時(shí)給定一個(gè) Seq 序號(hào) y，Ack 確認(rèn)號(hào) x+1，之后服務(wù)器端進(jìn)入 SYN_RCVD（同步已發(fā)送）狀態(tài)；

（3）第三次握手：客戶(hù)端收到來(lái)自服務(wù)器端的確認(rèn)報(bào)文之后，還需要向服務(wù)器端發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，報(bào)文首部 ACK 標(biāo)志位 = 1，Ack 確認(rèn)號(hào)為 y+1，發(fā)送之后客戶(hù)端進(jìn)入 ESTABLISHED（已建立連接）的狀態(tài)。服務(wù)器端收到確認(rèn)報(bào)文后，也會(huì)進(jìn)入 ESTABLISHED 狀態(tài)，在此之后，客戶(hù)端和服務(wù)器端可以開(kāi)始 TCP 通信了。

2.4 TCP 三次握手的必要性

2.4.1 三次握手的意義

面試官提問(wèn)： TCP 建立連接為什么需要三次握手？可以只有兩次握手嗎？第三次握手有什么意義？

題目解析：

緊接上面一個(gè)問(wèn)題，如果我們能夠成功畫(huà)出 TCP 三次握手的過(guò)程，以及分析每個(gè)過(guò)程傳輸報(bào)文的首部?jī)?nèi)容，那么面試官大概率會(huì)拋出這樣一個(gè)問(wèn)題，考察我們對(duì) TCP 三次握手的理解。

首先從定性角度來(lái)看，分析三次握手每個(gè)步驟的意義：

（1）第一次握手：客戶(hù)端發(fā)送報(bào)文，服務(wù)器端接收?qǐng)?bào)文，如果成功接收，說(shuō)明客戶(hù)端的發(fā)送能力、服務(wù)器端的接收能力符合預(yù)期；

（2）第二次握手：服務(wù)器端發(fā)送報(bào)文，客戶(hù)端接收?qǐng)?bào)文，如果成功接收。從客戶(hù)端的角度來(lái)看：客戶(hù)端的發(fā)送和接收能力符合預(yù)期，服務(wù)器端的發(fā)送和接收能力符合預(yù)期，可以建立連接。但是從服務(wù)器端的角度來(lái)看：客戶(hù)端的發(fā)送能力符合預(yù)期（第一次握手），服務(wù)器端的接收能力符合預(yù)期（第二次握手），但是因?yàn)槭詹坏娇蛻?hù)端的反饋（無(wú)法獲知第二次握手的報(bào)文是否成功抵達(dá)客戶(hù)端），那么只能得出服務(wù)器端的發(fā)送能力和客戶(hù)端的接收能力不一定符合預(yù)期的結(jié)論；

（3）第三次握手：客戶(hù)端發(fā)送報(bào)文，服務(wù)器端接收?qǐng)?bào)文，如果接收成功，從服務(wù)器端的角度來(lái)看：客戶(hù)端的報(bào)文接收能力以及服務(wù)器端的報(bào)文發(fā)送能力都符合預(yù)期。

經(jīng)過(guò)三次握手的過(guò)程，客戶(hù)端和服務(wù)器端都明確對(duì)方以及自己能成功接收和發(fā)送信息，所以就可以開(kāi)始正常通信。

2.4.2 假設(shè)如果只有兩次握手過(guò)程，是否能順利建立 TCP 連接？

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》 一書(shū)中對(duì)此進(jìn)行了解釋?zhuān)挝帐值哪康氖?"為了防止已失效的連接請(qǐng)求報(bào)文段突然又傳送到了服務(wù)端，因而產(chǎn)生錯(cuò)誤"。

如果 TCP 只有兩次握手，如果服務(wù)器端發(fā)送的第一個(gè)請(qǐng)求建立連接的報(bào)文在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間阻塞，等到連接釋放之后才抵達(dá)服務(wù)器端。本來(lái)這是一個(gè)早就失效的報(bào)文，但是服務(wù)器端收到這個(gè)失效的請(qǐng)求建立連接報(bào)文之后，會(huì)誤以為是客戶(hù)端需要建立一個(gè)新的連接請(qǐng)求，于是向客戶(hù)端發(fā)送 ACK 確認(rèn)報(bào)文，同意建立連接，這時(shí)候因?yàn)橐呀?jīng)完成了兩次握手，所以新的連接就會(huì)建立成功，這種情況顯然不符合預(yù)期。

如果是三次握手，客戶(hù)端不會(huì)向服務(wù)器端發(fā)送 ACK 確認(rèn)報(bào)文，所以服務(wù)器端超過(guò)最長(zhǎng)等待時(shí)間后，會(huì)認(rèn)為客戶(hù)端沒(méi)有要求建立請(qǐng)求，這個(gè)無(wú)效報(bào)文最終會(huì)失效。

3. 小結(jié)

本章節(jié)給大家介紹了 TCP 和 UDP 協(xié)議的報(bào)文格式以及區(qū)別，分析了 TCP 建立連接的握手過(guò)程，需要大家能夠準(zhǔn)確畫(huà)出 TCP 握手每個(gè)過(guò)程的標(biāo)志位以及序號(hào)、確認(rèn)號(hào)，并且從原理上理解三次握手的必要性，下一章節(jié)會(huì)繼續(xù)給大家分析 TCP 四次揮手過(guò)程。