TCP常见问题

目录

如何理解字节流？

#如何解决粘包？

#特殊字符作为边界

#自定义消息结构

为什么 TCP 每次建立连接时，初始化序列号都要不一样呢？

SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？ 

accpet 队列满了

半连接队列满了

已建立连接的TCP，收到SYN会发生什么？

拔掉网线后， 原本的 TCP 连接还存在吗？

FASTOPEN

如何基于 UDP 协议实现可靠传输？

什么是 TCP 队头阻塞问题？

TCP 和 UDP 可以同时绑定相同的端口吗？

没有 listen，能建立 TCP 连接吗？

没有 accept，能建立 TCP 连接吗？

TCP 四次挥手，可以变成三次吗？

TCP 序列号和确认号是如何变化的？

如何理解字节流？

之所以会说 TCP 是面向字节流的协议，UDP 是面向报文的协议，是因为操作系统对 TCP 和 UDP 协议的发送方的机制不同，也就是问题原因在发送方。

先来说说为什么 UDP 是面向报文的协议？

当用户消息通过 UDP 协议传输时，操作系统不会对消息进行拆分，在组装好 UDP 头部后就交给网络层来处理，所以发出去的 UDP 报文中的数据部分就是完整的用户消息，也就是每个 UDP 报文就是一个用户消息的边界，这样接收方在接收到 UDP 报文后，读一个 UDP 报文就能读取到完整的用户消息。

你可能会问，如果收到了两个 UDP 报文，操作系统是怎么区分开的？

操作系统在收到 UDP 报文后，会将其插入到队列里，队列里的每一个元素就是一个 UDP 报文，这样当用户调用 recvfrom() 系统调用读数据的时候，就会从队列里取出一个数据，然后从内核里拷贝给用户缓冲区。

TCP常见问题

再来说说为什么 TCP 是面向字节流的协议？

当用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统分组成多个的 TCP 报文，也就是一个完整的用户消息被拆分成多个 TCP 报文进行传输。

这时，接收方的程序如果不知道发送方发送的消息的长度，也就是不知道消息的边界时，是无法读出一个有效的用户消息的，因为用户消息被拆分成多个 TCP 报文后，并不能像 UDP 那样，一个 UDP 报文就能代表一个完整的用户消息。

举个实际的例子来说明。

发送方准备发送 「Hi.」和「I am Xiaolin」这两个消息。

在发送端，当我们调用 send 函数完成数据“发送”以后，数据并没有被真正从网络上发送出去，只是从应用程序拷贝到了操作系统内核协议栈中。

至于什么时候真正被发送，取决于发送窗口、拥塞窗口以及当前发送缓冲区的大小等条件。也就是说，我们不能认为每次 send 调用发送的数据，都会作为一个整体完整地消息被发送出去。

如果我们考虑实际网络传输过程中的各种影响，假设发送端陆续调用 send 函数先后发送 「Hi.」和「I am Xiaolin」 报文，那么实际的发送很有可能是这几种情况。

第一种情况，这两个消息被分到同一个 TCP 报文，像这样：

TCP常见问题

第二种情况，「I am Xiaolin」的部分随 「Hi」 在一个 TCP 报文中发送出去，像这样：

TCP常见问题

第三种情况，「Hi.」 的一部分随 TCP 报文被发送出去，另一部分和 「I am Xiaolin」 一起随另一个 TCP 报文发送出去，像这样。

TCP常见问题

类似的情况还能举例很多种，这里主要是想说明，我们不知道 「Hi.」和 「I am Xiaolin」 这两个用户消息是如何进行 TCP 分组传输的。

因此，我们不能认为一个用户消息对应一个 TCP 报文，正因为这样，所以 TCP 是面向字节流的协议。

当两个消息的某个部分内容被分到同一个 TCP 报文时，就是我们常说的 TCP 粘包问题，这时接收方不知道消息的边界的话，是无法读出有效的消息。

要解决这个问题，要交给应用程序。

#如何解决粘包？

粘包的问题出现是因为不知道一个用户消息的边界在哪，如果知道了边界在哪，接收方就可以通过边界来划分出有效的用户消息。

一般有三种方式分包的方式：

#固定长度的消息

这种是最简单方法，即每个用户消息都是固定长度的，比如规定一个消息的长度是 64 个字节，当接收方接满 64 个字节，就认为这个内容是一个完整且有效的消息。

但是这种方式灵活性不高，实际中很少用。

#特殊字符作为边界

我们可以在两个用户消息之间插入一个特殊的字符串，这样接收方在接收数据时，读到了这个特殊字符，就把认为已经读完一个完整的消息。

HTTP 是一个非常好的例子。

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HTTP 通过设置回车符、换行符作为 HTTP 报文协议的边界。

有一点要注意，这个作为边界点的特殊字符，如果刚好消息内容里有这个特殊字符，我们要对这个字符转义，避免被接收方当作消息的边界点而解析到无效的数据。

#自定义消息结构

我们可以自定义一个消息结构，由包头和数据组成，其中包头包是固定大小的，而且包头里有一个字段来说明紧随其后的数据有多大。

比如这个消息结构体，首先 4 个字节大小的变量来表示数据长度，真正的数据则在后面。

struct {
    u_int32_t message_length; 
    char message_data[]; 
} message;

当接收方接收到包头的大小（比如 4 个字节）后，就解析包头的内容，于是就可以知道数据的长度，然后接下来就继续读取数据，直到读满数据的长度，就可以组装成一个完整到用户消息来处理了。

为什么 TCP 每次建立连接时，初始化序列号都要不一样呢？

主要原因是为了防止历史报文被下一个相同四元组的连接接收。

TCP 四次挥手中的 TIME_WAIT 状态不是会持续 2 MSL 时长，历史报文不是早就在网络中消失了吗？

是的，如果能正常四次挥手，由于 TIME_WAIT 状态会持续 2 MSL 时长，历史报文会在下一个连接之前就会自然消失。

但是来了，我们并不能保证每次连接都能通过四次挥手来正常关闭连接。

假设每次建立连接，客户端和服务端的初始化序列号都是从 0 开始：

过程如下：

可以看到，如果每次建立连接，客户端和服务端的初始化序列号都是一样的话，很容易出现历史报文被下一个相同四元组的连接接收的问题。

客户端和服务端的初始化序列号不一样不是也会发生这样的事情吗？

是的，即使客户端和服务端的初始化序列号不一样，也会存在收到历史报文的可能。

但是我们要清楚一点，历史报文能否被对方接收，还要看该历史报文的序列号是否正好在对方接收窗口内，如果不在就会丢弃，如果在才会接收。

如果每次建立连接客户端和服务端的初始化序列号都「不一样」，就有大概率因为历史报文的序列号「不在」对方接收窗口，从而很大程度上避免了历史报文，

相反，如果每次建立连接客户端和服务端的初始化序列号都「一样」，就有大概率遇到历史报文的序列号刚「好在」对方的接收窗口内，从而导致历史报文被新连接成功接收。

所以，每次初始化序列号不一样能够很大程度上避免历史报文被下一个相同四元组的连接接收，注意是很大程度上，并不是完全避免了。

那客户端和服务端的初始化序列号都是随机的，那还是有可能随机成一样的呀？

RFC793 提到初始化序列号 ISN 随机生成算法：ISN = M + F(localhost, localport, remotehost, remoteport)。

可以看到，随机数是会基于时钟计时器递增的，基本不可能会随机成一样的初始化序列号。

懂了，客户端和服务端初始化序列号都是随机生成的话，就能避免连接接收历史报文了。

SYN 报文什么时候情况下会被丢弃？ 

accpet 队列满了

在 TCP 三次握手的时候，Linux 内核会维护两个队列，分别是：

服务端收到客户端发起的 SYN 请求后，内核会把该连接存储到半连接队列，并向客户端响应 SYN+ACK，接着客户端会返回 ACK，服务端收到第三次握手的 ACK 后，内核会把连接从半连接队列移除，然后创建新的完全的连接，并将其添加到 accept 队列，等待进程调用 accept 函数时把连接取出来。

半连接队列满了

当服务器造成syn攻击，就有可能导致 TCP 半连接队列满了，这时后面来的 syn 包都会被丢弃。

但是，如果开启了syncookies 功能，即使半连接队列满了，也不会丢弃syn 包。

syncookies 是这么做的：服务器根据当前状态计算出一个值，放在己方发出的 SYN+ACK 报文中发出，当客户端返回 ACK 报文时，取出该值验证，如果合法，就认为连接建立成功

这里给出几种防御 SYN 攻击的方法：

已建立连接的TCP，收到SYN会发生什么？

大概意思是，一个已经建立的 TCP 连接，客户端中途宕机了，而服务端此时也没有数据要发送，一直处于 Established 状态，客户端恢复后，向服务端建立连接，此时服务端会怎么处理？

看过我的图解网络的读者都知道，TCP 连接是由「四元组」唯一确认的。

然后这个场景中，客户端的 IP、服务端 IP、目的端口并没有变化，所以这个问题关键要看客户端发送的 SYN 报文中的源端口是否和上一次连接的源端口相同。

1. 客户端的 SYN 报文里的端口号与历史连接不相同

如果客户端恢复后发送的 SYN 报文中的源端口号跟上一次连接的源端口号不一样，此时服务端会认为是新的连接要建立，于是就会通过三次握手来建立新的连接。

那旧连接里处于 Established 状态的服务端最后会怎么样呢？

如果服务端发送了数据包给客户端，由于客户端的连接已经被关闭了，此时客户的内核就会回 RST 报文，服务端收到后就会释放连接。

如果服务端一直没有发送数据包给客户端，在超过一段时间后，TCP 保活机制就会启动，检测到客户端没有存活后，接着服务端就会释放掉该连接。

2. 客户端的 SYN 报文里的端口号与历史连接相同

如果客户端恢复后，发送的 SYN 报文中的源端口号跟上一次连接的源端口号一样，也就是处于 Established 状态的服务端收到了这个 SYN 报文。

大家觉得服务端此时会做什么处理呢？

处于 Established 状态的服务端，如果收到了客户端的 SYN 报文（注意此时的 SYN 报文其实是乱序的，因为 SYN 报文的初始化序列号其实是一个随机数），会回复一个携带了正确序列号和确认号的 ACK 报文，这个 ACK 被称之为 Challenge ACK。

接着，客户端收到这个 Challenge ACK，发现确认号（ack num）并不是自己期望收到的，于是就会回 RST 报文，服务端收到后，就会释放掉该连接

拔掉网线后， 原本的 TCP 连接还存在吗？

客户端拔掉网线后，并不会直接影响 TCP 连接状态。所以，拔掉网线后，TCP 连接是否还会存在，关键要看拔掉网线之后，有没有进行数据传输。

有数据传输的情况：

没有数据传输的情况：

FASTOPEN

TCP常见问题

如何基于 UDP 协议实现可靠传输？

很多同学第一反应就会说把 TCP 可靠传输的特性（序列号、确认应答、超时重传、流量控制、拥塞控制）在应用层实现一遍。

实现的思路确实这样没错，但是有没有想过，既然 TCP 天然支持可靠传输，为什么还需要基于 UDP 实现可靠传输呢？这不是重复造轮子吗？

所以，我们要先弄清楚 TCP 协议有哪些痛点？而这些痛点是否可以在基于 UDP 协议实现的可靠传输协议中得到改进？

 TCP 协议四个方面的缺陷：

现在市面上已经有基于 UDP 协议实现的可靠传输协议的成熟方案了，那就是 QUIC 协议，已经应用在了 HTTP/3。

这次，聊聊 QUIC 是如何实现可靠传输的？又是如何解决上面 TCP 协议四个方面的缺陷？

什么是 TCP 队头阻塞问题？

TCP 队头阻塞的问题，其实就是接收窗口的队头阻塞问题。

接收方收到的数据范围必须在接收窗口范围内，如果收到超过接收窗口范围的数据，就会丢弃该数据，比如下图接收窗口的范围是 32 ～ 51 字节，如果收到第 52 字节以上数据都会被丢弃。

TCP常见问题

接收窗口什么时候才能滑动？当接收窗口收到有序数据时，接收窗口才能往前滑动，然后那些已经接收并且被确认的「有序」数据就可以被应用层读取。

但是，当接收窗口收到的数据不是有序的，比如收到第 33～40 字节的数据，由于第 32 字节数据没有收到， 接收窗口无法向前滑动，那么即使先收到第 33～40 字节的数据，这些数据也无法被应用层读取的。只有当发送方重传了第 32 字节数据并且被接收方收到后，接收窗口才会往前滑动，然后应用层才能从内核读取第 32～40 字节的数据。

导致接收窗口的队头阻塞问题，是因为 TCP 必须按序处理数据，也就是 TCP 层为了保证数据的有序性，只有在处理完有序的数据后，滑动窗口才能往前滑动，否则就停留，停留「接收窗口」会使得应用层无法读取新的数据。

其实也不能怪 TCP 协议，它本来设计目的就是为了保证数据的有序性。

TCP 和 UDP 可以同时绑定相同的端口吗？

可以的。

在数据链路层中，通过 MAC 地址来寻找局域网中的主机。在网际层中，通过 IP 地址来寻找网络中互连的主机或路由器。在传输层中，需要通过端口进行寻址，来识别同一计算机中同时通信的不同应用程序。

所以，传输层的「端口号」的作用，是为了区分同一个主机上不同应用程序的数据包。

传输层有两个传输协议分别是 TCP 和 UDP，在内核中是两个完全独立的软件模块。

当主机收到数据包后，可以在 IP 包头的「协议号」字段知道该数据包是 TCP/UDP，所以可以根据这个信息确定送给哪个模块（TCP/UDP）处理，送给 TCP/UDP 模块的报文根据「端口号」确定送给哪个应用程序处理。

多个 TCP 服务进程可以同时绑定同一个端口吗？

如果两个 TCP 服务进程同时绑定的 IP 地址和端口都相同，那么执行 bind() 时候就会出错，错误是“Address already in use”。

如果两个 TCP 服务进程绑定的端口都相同，而 IP 地址不同，那么执行 bind() 不会出错。

客户端的端口可以重复使用吗？

在客户端执行 connect 函数的时候，只要客户端连接的服务器不是同一个，内核允许端口重复使用。

TCP 连接是由四元组（源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口）唯一确认的，那么只要四元组中其中一个元素发生了变化，那么就表示不同的 TCP 连接的。

所以，如果客户端已使用端口 64992 与服务端 A 建立了连接，那么客户端要与服务端 B 建立连接，还是可以使用端口 64992 的，因为内核是通过四元祖信息来定位一个 TCP 连接的，并不会因为客户端的端口号相同，而导致连接冲突的问题。

客户端 TCP 连接 TIME_WAIT 状态过多，会导致端口资源耗尽而无法建立新的连接吗？

要看客户端是否都是与同一个服务器（目标地址和目标端口一样）建立连接。

如果客户端都是与同一个服务器（目标地址和目标端口一样）建立连接，那么如果客户端 TIME_WAIT 状态的连接过多，当端口资源被耗尽，就无法与这个服务器再建立连接了。即使在这种状态下，还是可以与其他服务器建立连接的，只要客户端连接的服务器不是同一个，那么端口是重复使用的。

没有 listen，能建立 TCP 连接吗？

标题的问题在前面已经解答，现在我们看另外一个相似的问题。

之前看群消息，看到有读者面试腾讯的时候，被问到这么一个问题。

不使用 listen ，可以建立 TCP 连接吗？

答案，是可以的，客户端是可以自己连自己的形成连接（TCP自连接），也可以两个客户端同时向对方发出请求建立连接（TCP同时打开），这两个情况都有个共同点，就是没有服务端参与，也就是没有listen，就能建立连接。

那没有listen，为什么还能建立连接？

我们知道执行 listen 方法时，会创建半连接队列和全连接队列。

三次握手的过程中会在这两个队列中暂存连接信息。

所以形成连接，前提是你得有个地方存放着，方便握手的时候能根据 IP + 端口等信息找到对应的 socket。

那么客户端会有半连接队列吗？

显然没有，因为客户端没有执行listen，因为半连接队列和全连接队列都是在执行 listen 方法时，内核自动创建的。

但内核还有个全局 hash 表，可以用于存放 sock 连接的信息。

这个全局 hash 表其实还细分为 ehash，bhash和listen_hash等，但因为过于细节，大家理解成有一个全局 hash 就够了，

在 TCP 自连接的情况中，客户端在 connect 方法时，最后会将自己的连接信息放入到这个全局 hash 表中，然后将信息发出，消息在经过回环地址重新回到 TCP 传输层的时候，就会根据 IP + 端口信息，再一次从这个全局 hash 中取出信息。于是握手包一来一回，最后成功建立连接。

TCP 同时打开的情况也类似，只不过从一个客户端变成了两个客户端而已。

没有 accept，能建立 TCP 连接吗？

TCP常见问题

TCP 四次挥手，可以变成三次吗？

当被动关闭方（上图的服务端）在 TCP 挥手过程中，「没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」，那么第二和第三次挥手就会合并传输，这样就出现了三次挥手。

TCP常见问题

然后因为 TCP 延迟确认机制是默认开启的，所以导致我们抓包时，看见三次挥手的次数比四次挥手还多。

什么是 TCP 延迟确认机制？

当发送没有携带数据的 ACK，它的网络效率也是很低的，因为它也有 40 个字节的 IP 头 和 TCP 头，但却没有携带数据报文。 为了解决 ACK 传输效率低问题，所以就衍生出了 TCP 延迟确认。 TCP 延迟确认的策略：

TCP常见问题

操作系统都通过 TCP 延迟确认机制帮我们把四次挥手优化成了三次挥手了。

TCP 序列号和确认号是如何变化的？

发送的 TCP 报文：

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