面试网络知识篇之TCP/UDP

网络知识

001. 能不能说一说 TCP 和 UDP 的区别？

首先概括一下基本的区别:

• TCP是一个面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层协议。
• 而UDP是一个面向无连接的传输层协议。(就这么简单，其它TCP的特性也就没有了)。
  

具体来分析，和 UDP 相比，TCP 有三大核心特性:

1. 面向连接。所谓的连接，指的是客户端和服务器的连接，在双方互相通信之前，TCP 需要三次握手建立连接，而 UDP 没有相应建立连接的过程。

2. 可靠性。TCP 花了非常多的功夫保证连接的可靠，这个可靠性体现在哪些方面呢？一个是有状态，另一个是可控制。
   TCP 会精准记录哪些数据发送了，哪些数据被对方接收了，哪些没有被接收到，而且保证数据包按序到达，不允许半点差错。这是有状态。
   当意识到丢包了或者网络环境不佳，TCP 会根据具体情况调整自己的行为，控制自己的发送速度或者重发。这是可控制。
   相应的，UDP 就是无状态, 不可控的。

3. 面向字节流。UDP 的数据传输是基于数据报的，这是因为仅仅只是继承了 IP 层的特性，而 TCP 为了维护状态，将一个个 IP 包变成了字节流。

002: 说说 TCP 三次握手的过程？为什么是三次而不是两次、四次？

对应到 TCP 的三次握手，也是需要确认双方的两样能力: 发送的能力和接收的能力。于是便会有下面的三次握手的过程:

CLOSED：client 处于关闭状态
LISTEN ：server 处于监听状态，等待 client 连接
SYN -RCVDRCVD：表示 server 接受到了 SYN 报文，当收到 client 的ACK 报文后，它会进入到 ESTABLISHED 状态
SYN -SENT ：表示 client 已发送 SYN 报文，等待 server 的第 2次握手
ESTABLISHED：表示连接已经建立

从最开始双方都处于CLOSED状态。然后服务端开始监听某个端口，进入了LISTEN状态。

然后客户端主动发起连接，发送 SYN , 自己变成了SYN-SENT状态。

服务端接收到，返回SYN和ACK(对应客户端发来的SYN)，自己变成了SYN-REVD。

之后客户端再发送ACK给服务端，自己变成了ESTABLISHED状态；服务端收到ACK之后，也变成了ESTABLISHED状态。

为什么不是两次？
主要目的：防止 server 端一直等待，浪费资源
 如果建立连接只需要 2次握手，可能会出现的情况
 假设 client 发出的第一个连接请求报文段，因为网络延迟在释放以后某时间才到达 server
 本来这是一个早已失效的连接请求，但 server 收到此失效的请求后，误认为是 client 再次发出的一个新连接请求
 于是 server 就向 client 发出确认报文段，同意建立连接
 如果不采用“ 3次握手”，那么只要 server 发出确认，新的连接就建立了
 由于现在 client 并没有真正想连接服务器的意愿，因此不会理睬 server 的确认，也不会向 server 发送数据
 但server 却以为新的连接已经建立，并一直等待 client 发来数据， 这样server 的很多资源就白浪费掉了
 采用“三次握手”的办法可以防止上述现象发生
 例如上述情况， client 没有向 server 的确认发出， server 由于收不到确认，就知道 client 并没有要求建立连接

为什么不是四次？
三次握手的目的是确认双方发送和接收的能力，那四次握手可以嘛？
当然可以，100 次都可以。但为了解决问题，三次就足够了，再多用处就不大了。

第3次握手失败了，会怎么处理？
 此时 server 的状态为 SYN -RCVDRCVD，若等不到 client 的ACK，server 会重新发送 SYN+ACK 包
 如果 server 多次重发 SYN+ACK 都等不到 client 的ACK，就会发送 RST 包，强制关闭连接

三次握手过程中可以携带数据么？
第三次握手的时候，可以携带。前两次握手不能携带数据。

如果前两次握手能够携带数据，那么一旦有人想攻击服务器，那么他只需要在第一次握手中的 SYN 报文中放大量数据，那么服务器势必会消耗更多的时间和内存空间去处理这些数据，增大了服务器被攻击的风险。

第三次握手的时候，客户端已经处于ESTABLISHED状态，并且已经能够确认服务器的接收、发送能力正常，这个时候相对安全了，可以携带数据。

同时打开会怎样？
如果双方同时发 SYN报文，状态变化会是怎样的呢？
这是一个可能会发生的情况。
状态变迁如下:

在发送方给接收方发SYN报文的同时，接收方也给发送方发SYN报文，两个人刚上了!
发完SYN，两者的状态都变为SYN-SENT。

在各自收到对方的SYN后，两者状态都变为SYN-REVD。

接着会回复对应的ACK + SYN，这个报文在对方接收之后，两者状态一起变为ESTABLISHED。

这就是同时打开情况下的状态变迁。

003: 说说 TCP 四次挥手的过程

过程拆解

FIN -WAITWAIT-1：表示想主动关闭连接
向对方发送了 FIN 报文，此时进入到 FIN -WAITWAIT-1状态

CLOSECLOSE-WAITWAIT：表示在等待关闭
 当对方发送 FIN 给自己，会回应一个 ACK 报文给对方，此时则进入到 CLOSECLOSE-WAIT 状态
 在此状态下，需要考虑自己是否还有数据发送 给对方如果没FIN 报文给对方

FIN -WAITWAIT-2：只要对方发送 ACK 确认后，主动方就会处于 FIN -WAITWAIT-2状态，然后等待对方发送 FIN 报文

CLOSING：一种比较罕见的例外状态
 表示你发送 FIN 报文后，并没有收到对方的 ACK 报文，反而却也收到了对方的 FIN 报文
 如果双方几乎在同时准备关闭连接的话，那么就出现了发送 FIN 报文的情况，也即会出现 CLOSING 状态
 表示双方都正在关闭连接

LAST-ACK：被动关闭一方在发送 FIN 报文后，最等待对方的 ACK 报文
 当收到 ACK 报文后，即可进入 CLOSED 状态了

TIME -WAITWAIT：表示收到了对方的 FIN 报文，并发送出了 ACK 报文，就等 2MSL 后即可进入 CLOSED 状态了
 如果 FIN -WAITWAIT-1状态下，收到了对方同时带 FIN 标志和 ACK 标志的报文时
 可以直接进入到 TIME -WAIT 状态，而无须经过 FIN -WAITWAIT-2状态

CLOSED：关闭状态

刚开始双方处于ESTABLISHED状态。
客户端要断开了，向服务器发送 FIN 报文，在 TCP 报文中的位置如下图:

发送后客户端变成了FIN-WAIT-1状态。注意, 这时候客户端同时也变成了half-close(半关闭)状态，即无法向服务端发送报文，只能接收。

服务端接收后向客户端确认，变成了CLOSED-WAIT状态。

客户端接收到了服务端的确认，变成了FIN-WAIT2状态。

随后，服务端向客户端发送FIN，自己进入LAST-ACK状态，

客户端收到服务端发来的FIN后，自己变成了TIME-WAIT状态，然后发送 ACK 给服务端。

注意了，这个时候，客户端需要等待足够长的时间，具体来说，是 2 个 MSL(Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间), 在这段时间内如果客户端没有收到服务端的重发请求，那么表示 ACK 成功到达，挥手结束，否则客户端重发 ACK。

等待2MSL的意义
如果不等待会怎样？
可以防止本次连接中产生的数据包误传到下一次连接中（因为都会在 2MSL 时间内消失了）
 如果 client 发送 ACK 后马上释放了， 然又因为网络原server 没有收到 client 的ACK，server 就会重发 FIN
 这时可能出现的情况是
① client 没有任何响应，服务器那边会干等甚至多次重发 FIN ，浪费资源
② client 有个新的应用程序刚好分配了同一端口号，收到 FIN 后马上开始执行断连接的操作，本来 它可能是想跟 server 建立连接的

一个 MSL 不就不够了吗，为什么要等待 2 MSL?
● 1 个 MSL 确保四次挥手中主动关闭方最后的 ACK 报文最终能达到对端
● 1 个 MSL 确保对端没有收到 ACK 重传的 FIN 报文可以到达
这就是等待 2MSL 的意义。

为什么是四次挥手而不是三次？
因为服务端在接收到FIN, 往往不会立即返回FIN, 必须等到服务端所有的报文都发送完毕了，才能发FIN。因此先发一个ACK表示已经收到客户端的FIN，延迟一段时间才发FIN。这就造成了四次挥手。

如果是三次挥手会有什么问题？
等于说服务端将ACK和FIN的发送合并为一次挥手，这个时候长时间的延迟可能会导致客户端误以为FIN没有到达客户端，从而让客户端不断的重发FIN。

同时关闭会怎样？
如果客户端和服务端同时发送 FIN ，状态会如何变化？如图所示:

004: 说说半连接队列和 SYN Flood 攻击的关系

三次握手前，服务端的状态从CLOSED变为LISTEN, 同时在内部创建了两个队列：半连接队列和全连接队列，即SYN队列和ACCEPT队列。

半连接队列
当客户端发送SYN到服务端，服务端收到以后回复ACK和SYN，状态由LISTEN变为SYN_RCVD，此时这个连接就被推入了SYN队列，也就是半连接队列。

全连接队列
当客户端返回ACK, 服务端接收后，三次握手完成。这个时候连接等待被具体的应用取走，在被取走之前，它会被推入另外一个 TCP 维护的队列，也就是全连接队列(Accept Queue)。

SYN Flood(洪水) 攻击原理
SYN Flood 属于典型的 DoS/DDoS 攻击。其攻击的原理很简单，就是用客户端在短时间内伪造大量不存在的 IP 地址，并向服务端疯狂发送SYN。攻击者发送一系列的 SYN 请求到 目标，然后让因收不ACK（第 3次握手）而进行等待，消耗资源。对于服务端而言，会产生两个危险的后果:

1. 处理大量的SYN包并返回对应ACK, 势必有大量连接处于SYN_RCVD状态，从而占满整个半连接队列，无法处理正常的请求。
2. 由于是不存在的 IP，服务端长时间收不到客户端的ACK，会导致服务端不断重发数据，直到耗尽服务端的资源。

如何应对 SYN Flood 攻击？

1. 增加 SYN 连接，也就是增加半连接队列的容量。
2. 减少 SYN + ACK 重试次数，避免大量的超时重发。
3. 利用 SYN Cookie 技术，在服务端接收到SYN后不立即分配连接资源，而是根据这个SYN计算出一个Cookie，连同第二次握手回复给客户端，在客户端回复ACK的时候带上这个Cookie值，服务端验证 Cookie 合法之后才分配连接资源。

005: 介绍一下 TCP 报文头部的字段

报文头部结构如下(单位为字节):

请大家牢记这张图！
源端口、目标端口
如何标识唯一标识一个连接？答案是 TCP 连接的四元组——源 IP、源端口、目标 IP 和目标端口。
那 TCP 报文怎么没有源 IP 和目标 IP 呢？这是因为在 IP 层就已经处理了 IP 。TCP 只需要记录两者的端口即可。
序列号
即Sequence number, 指的是本报文段第一个字节的编号。
首先，在传输过程的每一个字节都会有编号
在建立连接后，序号代表：这一次传给对方的 TCP 数据部分的第一个字节编号

从图中可以看出，序列号是一个长为 4 个字节，也就是 32 位的无符号整数，表示范围为 0 ~ 2^32 - 1。如果到达最大值了后就循环到0。

序列号在 TCP 通信的过程中有两个作用:

1. 在 SYN 报文中交换彼此的初始序列号。
2. 保证数据包按正确的顺序组装。

ISN
即Initial Sequence Number（初始序列号）,在三次握手的过程当中，双方会用过SYN报文来交换彼此的 ISN。
ISN 并不是一个固定的值，而是每 4 ms 加一，溢出则回到 0，这个算法使得猜测 ISN 变得很困难。那为什么要这么做？
如果 ISN 被攻击者预测到，要知道源 IP 和源端口号都是很容易伪造的，当攻击者猜测 ISN 之后，直接伪造一个 RST 后，就可以强制连接关闭的，这是非常危险的。
而动态增长的 ISN 大大提高了猜测 ISN 的难度。

确认号
占4字节
即ACK(Acknowledgment number)。在建立连接后，确认号代表：期望对方下一次传过来的 TCP 数据部分的第一个字节编号，小于ACK的所有字节已经全部收到。

标记位
常见的标记位有SYN,ACK,FIN,RST,PSH。
SYN 和 ACK 已经在上文说过，后三个解释如下: FIN： 即 Finish，表示发送方准备断开连接。
RST：即 Reset，用来强制断开连接。
PSH： 即 Push, 告知对方这些数据包收到后应该马上交给上层的应用，不能缓存。

窗口大小
占2字节
这个字段有流量控制功能，用以告知对方下一次允许发送的数据大小（节为单位）
占用两个字节，也就是 16 位，但实际上是不够用的。因此 TCP 引入了窗口缩放的选项，作为窗口缩放的比例因子，这个比例因子的范围在 0 ~ 14，比例因子可以将窗口的值扩大为原来的 2 ^ n 次方。

校验和
占用两个字节，防止传输过程中数据包有损坏，如果遇到校验和有差错的报文，TCP 直接丢弃之，等待重传。
跟UDP 一样， TCP 检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据
 伪首部：占用 12 字节，仅在计算检验和时起作用并不会传递给网络层

可选项
可选项的格式如下:

常用的可选项有以下几个:
● TimeStamp: TCP 时间戳，后面详细介绍。
● MSS: 指的是 TCP 允许的从对方接收的最大报文段。
● SACK: 选择确认选项。
● Window Scale： 窗口缩放选项。

006: 说说 TCP 快速打开的原理(TFO)

第一节讲了 TCP 三次握手，可能有人会说，每次都三次握手好麻烦呀！能不能优化一点？
可以啊。今天来说说这个优化后的 TCP 握手流程，也就是 TCP 快速打开(TCP Fast Open, 即TFO)的原理。
优化的过程是这样的，还记得我们说 SYN Flood 攻击时提到的 SYN Cookie 吗？这个 Cookie 可不是浏览器的Cookie, 用它同样可以实现 TFO。
TFO 流程

首轮三次握手
首先客户端发送SYN给服务端，服务端接收到。
注意哦！现在服务端不是立刻回复 SYN + ACK，而是通过计算得到一个SYN Cookie, 将这个Cookie放到 TCP 报文的 Fast Open选项中，然后才给客户端返回。

客户端拿到这个 Cookie 的值缓存下来。后面正常完成三次握手。
首轮三次握手就是这样的流程。而后面的三次握手就不一样啦！

后面的三次握手
在后面的三次握手中，客户端会将之前缓存的 Cookie、SYN 和HTTP请求(是的，你没看错)发送给服务端，服务端验证了 Cookie 的合法性，如果不合法直接丢弃；如果是合法的，那么就正常返回SYN + ACK。

重点来了，现在服务端能向客户端发 HTTP 响应了！这是最显著的改变，三次握手还没建立，仅仅验证了 Cookie 的合法性，就可以返回 HTTP 响应了。
当然，客户端的ACK还得正常传过来，不然怎么叫三次握手嘛。
流程如下:

注意: 客户端最后握手的 ACK 不一定要等到服务端的 HTTP 响应到达才发送，两个过程没有任何关系。

TFO 的优势
TFO 的优势并不在与首轮三次握手，而在于后面的握手，在拿到客户端的 Cookie 并验证通过以后，可以直接返回 HTTP 响应，充分利用了1 个RTT(Round-Trip Time，往返时延)的时间提前进行数据传输，积累起来还是一个比较大的优势。

007: 能不能说说TCP报文中时间戳的作用？

timestamp是 TCP 报文首部的一个可选项，一共占 10 个字节，格式如下:

kind(1 字节) + length(1 字节) + info(8 个字节)

其中 kind = 8， length = 10， info 有两部分构成: timestamp和timestamp echo，各占 4 个字节。

那么这些字段都是干嘛的呢？它们用来解决那些问题？
接下来我们就来一一梳理，TCP 的时间戳主要解决两大问题:
● 计算往返时延 RTT(Round-Trip Time)
● 防止序列号的回绕问题

计算往返时延 RTT
在没有时间戳的时候，计算 RTT 会遇到的问题如下图所示:

如果以第一次发包为开始时间的话，就会出现左图的问题，RTT 明显偏大，开始时间应该采用第二次的；

如果以第二次发包为开始时间的话，就会导致右图的问题，RTT 明显偏小，开始时间应该采用第一次发包的。

实际上无论开始时间以第一次发包还是第二次发包为准，都是不准确的。

那这个时候引入时间戳就很好的解决了这个问题。

比如现在 a 向 b 发送一个报文 s1，b 向 a 回复一个含 ACK 的报文 s2 那么：
● step 1: a 向 b 发送的时候，timestamp 中存放的内容就是 a 主机发送时的内核时刻 ta1。
● step 2: b 向 a 回复 s2 报文的时候，timestamp 中存放的是 b 主机的时刻 tb, timestamp echo字段为从 s1 报文中解析出来的 ta1。
● step 3: a 收到 b 的 s2 报文之后，此时 a 主机的内核时刻是 ta2, 而在 s2 报文中的 timestamp echo 选项中可以得到 ta1, 也就是 s2 对应的报文最初的发送时刻。然后直接采用 ta2 - ta1 就得到了 RTT 的值。

防止序列号回绕问题
现在我们来模拟一下这个问题。
序列号的范围其实是在0 ~ 2 ^ 32 - 1, 为了方便演示，我们缩小一下这个区间，假设范围是 0 ~ 4，那么到达 4 的时候会回到 0。

对应序列号

第几次发包	发送字节	对应序列号	状态
1	0 ~ 1	0 ~ 1	成功接收
2	1 ~ 2	1 ~ 2	滞留在网络中
3	2 ~ 3	2 ~ 3	成功接收
4	3 ~ 4	3 ~ 4	成功接收
5	4 ~ 5	0 ~ 1	成功接收，序列号从0开始
6	5 ~ 6	1 ~ 2	？？？

假设在第 6 次的时候，之前还滞留在网路中的包回来了，那么就有两个序列号为1 ~ 2的数据包了，怎么区分谁是谁呢？这个时候就产生了序列号回绕的问题。

那么用 timestamp 就能很好地解决这个问题，因为每次发包的时候都是将发包机器当时的内核时间记录在报文中，那么两次发包序列号即使相同，时间戳也不可能相同，这样就能够区分开两个数据包了。

008: TCP 的超时重传时间是如何计算的？

TCP 具有超时重传机制，即间隔一段时间没有等到数据包的回复时，重传这个数据包。

那么这个重传间隔是如何来计算的呢？
今天我们就来讨论一下这个问题。
这个重传间隔也叫做超时重传时间(Retransmission TimeOut, 简称RTO)，它的计算跟上一节提到的 RTT 密切相关。这里我们将介绍两种主要的方法，一个是经典方法，一个是标准方法。

经典方法
经典方法引入了一个新的概念——SRTT(Smoothed round trip time，即平滑往返时间)，没产生一次新的 RTT. 就根据一定的算法对 SRTT 进行更新，具体而言，计算方式如下(SRTT 初始值为0):

SRTT =  (α * SRTT) + ((1 - α) * RTT)

其中，α 是平滑因子，建议值是0.8，范围是0.8 ~ 0.9。
拿到 SRTT，我们就可以计算 RTO 的值了:

RTO = min(ubound, max(lbound, β * SRTT))

β 是加权因子，一般为1.3 ~ 2.0， lbound 是下界，ubound 是上界。
其实这个算法过程还是很简单的，但是也存在一定的局限，就是在 RTT 稳定的地方表现还可以，而在 RTT 变化较大的地方就不行了，因为平滑因子 α 的范围是0.8 ~ 0.9, RTT 对于 RTO 的影响太小。

标准方法
为了解决经典方法对于 RTT 变化不敏感的问题，后面又引出了标准方法，也叫Jacobson / Karels 算法。
一共有三步。
第一步: 计算SRTT，公式如下:

SRTT = (1 - α) * SRTT + α * RTT

注意这个时候的 α跟经典方法中的α取值不一样了，建议值是1/8，也就是0.125。
第二步: 计算RTTVAR(round-trip time variation)这个中间变量。

RTTVAR = (1 - β) * RTTVAR + β * (|RTT - SRTT|)

β 建议值为 0.25。这个值是这个算法中出彩的地方，也就是说，它记录了最新的 RTT 与当前 SRTT 之间的差值，给我们在后续感知到 RTT 的变化提供了抓手。
第三步: 计算最终的RTO:

RTO = µ * SRTT + ∂ * RTTVAR 

µ建议值取1, ∂建议值取4。
这个公式在 SRTT 的基础上加上了最新 RTT 与它的偏移，从而很好的感知了 RTT 的变化，这种算法下，RTO 与 RTT 变化的差值关系更加密切。

009: 能不能说一说 TCP 的流量控制？

对于发送端和接收端而言，TCP 需要把发送的数据放到发送缓存区, 将接收的数据放到接收缓存区。
为什么要进行流量控制？
如果接收方的缓存区满了，发送还在疯狂着数据
 接收方只能把到的数据包丢掉，大量会极着浪费网络资源
 所以要进行流量控制

什么是流量控制？
 让发送方的速率不要太快，接收来得及处理

原理
 通过确认报文中窗口字段来控制发送方的速率
 发送方的窗口大小不能超过接收给出
 当发送方收到接窗口的大小为 0时，发送方就会停止数据
而流量控制索要做的事情，就是在通过接收缓存区的大小，控制发送端的发送。如果对方的接收缓存区满了，就不能再继续发送了。

要具体理解流量控制，首先需要了解滑动窗口的概念。

TCP 滑动窗口
TCP 滑动窗口分为两种: 发送窗口和接收窗口。
发送窗口
发送端的滑动窗口结构如下:

其中包含四大部分:
● 已发送且已确认
● 已发送但未确认
● 未发送但可以发送
● 未发送也不可以发送
其中有一些重要的概念，我标注在图中:

发送窗口就是图中被框住的范围。SND 即send, WND 即window, UNA 即unacknowledged, 表示未被确认，NXT 即next, 表示下一个发送的位置。
接收窗口
接收端的窗口结构如下:

REV 即 receive，NXT 表示下一个接收的位置，WND 表示接收窗口大小。

流量控制过程

这里我们不用太复杂的例子，以一个最简单的来回来模拟一下流量控制的过程，方便大家理解。

首先双方三次握手，初始化各自的窗口大小，均为 200 个字节。

假如当前发送端给接收端发送 100 个字节，那么此时对于发送端而言，SND.NXT 当然要右移 100 个字节，也就是说当前的可用窗口减少了 100 个字节，这很好理解。

现在这 100 个到达了接收端，被放到接收端的缓冲队列中。不过此时由于大量负载的原因，接收端处理不了这么多字节，只能处理 40 个字节，剩下的 60 个字节被留在了缓冲队列中。

注意了，此时接收端的情况是处理能力不够用啦，你发送端给我少发点，所以此时接收端的接收窗口应该缩小，具体来说，缩小 60 个字节，由 200 个字节变成了 140 字节，因为缓冲队列还有 60 个字节没被应用拿走。

因此，接收端会在 ACK 的报文首部带上缩小后的滑动窗口 140 字节，发送端对应地调整发送窗口的大小为 140 个字节。
此时对于发送端而言，已经发送且确认的部分增加 40 字节，也就是 SND.UNA 右移 40 个字节，同时发送窗口缩小为 140 个字节。

这也就是流量控制的过程。尽管回合再多，整个控制的过程和原理是一样的。
下面的流程是，如果存在漏发的时候的流量控制：

图中最后显示如果缓存区满了，发送区会停止发送数据，那如何再次重新启动再次继续发送？
正常情况如图中所示，当接收方有了空间，会发送一个窗口大小非0的确认报文。
异常情况：
一开始，接收方给发送了 0窗口的报文段
 后面，接收方又有了一些存储空间给发送的非 0窗口的报文段丢失了
 发送方的窗口一直为零，双陷入僵局

 解决方案
 当发送方收到 0窗口通知时，这发送方停止报文
 并且同时开启一个定时器，隔一段间就发测试报文去询问接收方最新的窗口大小
 如果接收的窗口大小还是为 0，则发送方再次刷新启动定时器

010: 能不能说说 TCP 的拥塞控制？

上一节所说的流量控制发生在发送端跟接收端之间，并没有考虑到整个网络环境的影响，如果说当前网络特别差，特别容易丢包，那么发送端就应该注意一些了。而这，也正是拥塞控制需要处理的问题。

拥塞控制是一个全局性的过程
 涉及到所有的主机、路由器
 以及与降低网络传输性能有关的所因素
 是大家共同努力的结果
 相比而言，流量控制相比而言，流量控制是点对点控制

对于拥塞控制来说，TCP 每条连接都需要维护两个核心状态:
● 拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）
● 慢启动阈值（Slow Start Threshold，ssthresh）
涉及到的算法有这几个:
● 慢启动
● 拥塞避免
● 快速重传和快速恢复

接下来，我们就来一一拆解这些状态和算法。首先，从拥塞窗口说起。
拥塞窗口
拥塞窗口（Congestion Window，cwnd）是指目前自己还能传输的数据量大小。
那么之前介绍了接收窗口的概念，两者有什么区别呢？
● 接收窗口(rwnd)是接收端给的限制
● 拥塞窗口(cwnd)是发送端的限制
限制谁呢？
限制的是发送窗口的大小。
有了这两个窗口，如何来计算发送窗口？

发送窗口（swnd）大小 = min(rwnd, cwnd)

取两者的较小值。而拥塞控制，就是来控制cwnd的变化。
慢启动
刚开始进入传输数据的时候，你是不知道现在的网路到底是稳定还是拥堵的，如果做的太激进，发包太急，那么疯狂丢包，造成雪崩式的网络灾难。
因此，拥塞控制首先就是要采用一种保守的算法来慢慢地适应整个网路，这种算法叫慢启动。运作过程如下:

● 首先，三次握手，双方宣告自己的接收窗口大小
● 双方初始化自己的拥塞窗口(cwnd)大小
● 在开始传输的一段时间，发送端每收到一个 ACK，拥塞窗口大小加 1，也就是说，每经过一个 RTT，cwnd 翻倍。如果说初始窗口为 10，那么第一轮 10 个报文传完且发送端收到 ACK 后，cwnd 变为 20，第二轮变为 40，第三轮变为 80，依次类推。
难道就这么无止境地翻倍下去？当然不可能。它的阈值叫做慢启动阈值，当 cwnd 到达这个阈值之后，好比踩了下刹车，别涨了那么快了，老铁，先 hold 住！
在到达阈值后，如何来控制 cwnd 的大小呢？

拥塞避免
原来每收到一个 ACK，cwnd 加1，现在到达阈值了，cwnd 只能加这么一点: 1 / cwnd。那你仔细算算，一轮 RTT 下来，收到 cwnd 个 ACK, 那最后拥塞窗口的大小 cwnd 总共才增加 1。
也就是说，以前一个 RTT 下来，cwnd翻倍，现在cwnd只是增加 1 而已。
当然，慢启动和拥塞避免是一起作用的，是一体的。

ssthresh（slow start threshold threshold）：慢 开始 阈值， cwnd 达到阈值后，以线性方式增加
 拥塞避免（加法增大）：窗口缓慢，以防止网络过早出现

快速重传和快速恢复
快速重传
接收方
 每收到一个失序的分组后就立即发出重复确认
 使发送方及时知道有分组没到达
 而不要等待自己发送数据时才进行确认
发送方
 只要连续收到三个重复确认（总共 4个相同的确认），就应当立即重传对方尚未收到报文段
 而不必继续等待重传计时器到期后再重传

在 TCP 传输的过程中，如果发生了丢包，即接收端发现数据段不是按序到达的时候，接收端的处理是重复发送之前的 ACK。

比如上图中第3 个包丢了，即使第 4、5 个包到达的接收端，接收端也一律返回第2个包的 ACK。当发送端收到 3 个重复的 ACK 时，意识到丢包了，于是马上进行重传M3，不用等到一个 RTO 的时间到了才重传。
这就是快速重传，它解决的是是否需要重传的问题。

在TCP 通信过程中，如 果发送序列间某个数据包丢失（比1、2、3、4、5中的 3丢失了）
 TCP 会通过重传最后确认的分组续（是 2，会重传 3、4、5）
 这样原先已经正确传输的分组也可能重复发送（比如 4、5），降低了 TCP 性能
 为改善上述情况，发展出了 SACK（Selective acknowledgment acknowledgment，选择 性确认）技术
 告诉发送方哪些数据丢失，已经提前收到
 使TCP 只重新发送丢失的包（比如 3），不用发送后续所有的分组（比如 4、5）

SACK（Selective Acknowledgment）选择性重传
SACK 信息会放在 TCP 首部的选项

 Kind ：占 1字节。值为 5代表这是 SACK 选项
 Length ：占 1字节。表明 SACK 选项一共占用多少字节
 Left Edge Edge：占 4字节，左边界
 Right Edge ：占 4字节，右边界

 一对边界信息需要占用 8字节，由于 TCP 首部的选项分最多 40 字节，所以
 SACK 选项最多携带 4组边界信息
 SACK 选项的最大占用字节数 = 4 * 8 + 2 = 34

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在收到发送端的报文后，接收端回复一个 ACK 报文，那么在这个报文首部的可选项中，就可以加上SACK这个属性，通过left edge和right edge告知发送端已经收到了哪些区间的数据报。因此，即使第3 个包丢包了，当收到第 4、5 个包之后，接收端依然会告诉发送端，这两个包到了。剩下第3 个包没到，就重传这个包。这个过程也叫做选择性重传(SACK，Selective Acknowledgment)，它解决的是如何重传的问题。

快速恢复
当然，发送端收到三次重复 ACK 之后，发现丢包，觉得现在的网络已经有些拥塞了，自己会进入快速恢复阶段。
在这个阶段，发送端如下改变：
与慢开始不同之处是现在执行算法，即 cwnd 现在不恢复到初始值
● 拥塞阈值*（ssthresh）降低为 cwnd拥塞峰值 的一半
● cwnd 的大小变为新的拥塞阈值
● 然后开始执行拥塞避免算法（“加增大”）
以上就是 TCP 拥塞控制的经典算法: 慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。

011: 能不能说说 Nagle 算法和延迟确认？
Nagle 算法
试想一个场景，发送端不停地给接收端发很小的包，一次只发 1 个字节，那么发 1 千个字节需要发 1000 次。这种频繁的发送是存在问题的，不光是传输的时延消耗，发送和确认本身也是需要耗时的，频繁的发送接收带来了巨大的时延。
而避免小包的频繁发送，这就是 Nagle 算法要做的事情。

具体来说，Nagle 算法的规则如下:
● 当第一次发送数据时不用等待，就算是 1byte 的小包也立即发送
● 后面发送满足下面条件之一就可以发了:
○ 数据包大小达到最大段大小(Max Segment Size, 即 MSS)
○ 之前所有包的 ACK 都已接收到

延迟确认
试想这样一个场景，当我收到了发送端的一个包，然后在极短的时间内又接收到了第二个包，那我是一个个地回复，还是稍微等一下，把两个包的 ACK 合并后一起回复呢？
延迟确认(delayed ack)所做的事情，就是后者，稍稍延迟，然后合并 ACK，最后才回复给发送端。TCP 要求这个延迟的时延必须小于500ms，一般操作系统实现都不会超过200ms。
不过需要主要的是，有一些场景是不能延迟确认的，收到了就要马上回复:
● 接收到了大于一个 frame 的报文，且需要调整窗口大小
● TCP 处于 quickack 模式（通过tcp_in_quickack_mode设置）
● 发现了乱序包

两者一起使用会怎样？
前者意味着延迟发，后者意味着延迟接收，会造成更大的延迟，产生性能问题。

012. 如何理解 TCP 的 keep-alive？

大家都听说过 http 的keep-alive, 不过 TCP 层面也是有keep-alive机制，而且跟应用层不太一样。
试想一个场景，当有一方因为网络故障或者宕机导致连接失效，由于 TCP 并不是一个轮询的协议，在下一个数据包到达之前，对端对连接失效的情况是一无所知的。
这个时候就出现了 keep-alive, 它的作用就是探测对端的连接有没有失效。
在 Linux 下，可以这样查看相关的配置:

sudo sysctl -a | grep keepalive

// 每隔 7200 s 检测一次
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200
// 一次最多重传 9 个包
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9
// 每个包的间隔重传间隔 75 s
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

不过，现状是大部分的应用并没有默认开启 TCP 的keep-alive选项，为什么？
站在应用的角度:

7200s 也就是两个小时检测一次，时间太长
时间再短一些，也难以体现其设计的初衷, 即检测长时间的死连接

因此是一个比较尴尬的设计。

udp的头部结构

UDP 是无连接的，减少了建立和释放开销
UDP 尽最大能力交付，不保证可靠
因此不需要维护一些复杂的参数，首部只有 8个字节（ TCP 的首部至少 20 个

UDP 长度（ Length ）
占16 位，首部的长度 + 数

检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据
 伪首部：仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

TCP有什么特点

• 可靠传输 （见下文）
• 流量控制（见上文：009: 能不能说一说 TCP 的流量控制？）
• 拥塞控制（见上文：010: 能不能说一说 TCP 的拥塞控制？）

连接管理

• 建立连接（见上文：002: 说说 TCP三次握手的过程？）
• 释放连接（见上文：003: 说说 TCP 四次挥手的过程？）

可靠传输用什么来保证？
停止等待ARQ协议
ARQ（Automatic Repeat –re Quest ），自动重传请求

如果发送端超过计时器的接受时间，还是没有获取接收端返回的ACK应答，就会重新发送消息

若有个包重传了 N次还是失败，会一直持续重传到成功为止么？
这个取决于系统的设置，比如有些重传 5次还未成功就会发送 reset 报文（ RST ）断开 TCP 连接

连续ARQ协议+滑动窗口协议

连续发送多个分组一个，只需要确认一次

TCP的序号，确认号详解

图中seq：TCP序列号，ack为确认号。
1-3为建立连接
4为发送端发送数据
5-8为接收端发送数据
9 为确认应答

参考:
神三元的(建议收藏)TCP协议灵魂之问，巩固你的网路底层基础