淘寶二面，面試官居然把TCP三次握手問的這么詳細(xì)

TCP的三次握手和四次揮手，可以說是老生常談的經(jīng)典問題了，通常也作為各大公司常見的面試考題，具有一定的水平區(qū)分度。看似是簡單的面試問題，如果你的回答不符合面試官期待的水準(zhǔn)，有可能就直接涼涼了。

本文會圍繞，三次握手和四次揮手相關(guān)的一些列核心問題，分享如何更準(zhǔn)確的回答和應(yīng)對常見的面試問題，以后面對再刁鉆的面試官，你都可以隨意地跟他扯皮了。

面試TCP的意義

我想要先說明一個重要問題，到底面試 TCP 的意義何在？

經(jīng)常會聽到這樣抱怨：我是做業(yè)務(wù)程序開發(fā)的，面試官竟然問我 TCP 三次握手、TCP 擁塞控制的問題，還問的這么細(xì)致？

這些同學(xué)會覺著面試官是閑的淡疼，或是故意刁難候選人，更有同學(xué)認(rèn)為面試官是為了防止自己技術(shù)退步拿來練手的，這種想法我也是醉了。

當(dāng)然，不同人對此可能會有不同的想法，但我們技術(shù)人應(yīng)該以積極的心態(tài)來理解和面對這個問題，在我看來面試 TCP 有重要的意義：

1. 從面試官的角度，可以快速考察候選人對基礎(chǔ)知識的掌握程度，以及候選人對待技術(shù)的那種知其所以然的態(tài)度。

2. 從求職者的角度，即使工作內(nèi)容中沒有直接用到 TCP 協(xié)議，但在遇到網(wǎng)絡(luò)故障，調(diào)試和分析問題時，熟悉 TCP 顯得十分重要，要不抓包都看不懂。

3. 從學(xué)習(xí)的角度，我們可以學(xué)習(xí) TCP 的設(shè)計理念，比如 TCP 重傳、擁塞控制，以及如何在性能和原理之間做權(quán)衡和取舍的，舉一反三，將這些原理細(xì)節(jié)應(yīng)用到我們平時的軟件設(shè)計上，也是一種思維上的學(xué)習(xí)成長。

4. 如果想要調(diào)整 TCP 參數(shù)來提升傳輸速度，可服務(wù)器上相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)有幾十個，究竟該怎么調(diào)整呢？

5. 在服務(wù)器本地的 TCP 連接狀態(tài)出現(xiàn)了類似fin_wait、time_wait，該怎么解決，是什么原因引起的？如果不懂 TCP，即使別人告訴你解決方案，你也不能夠真正理解的。

所以，我們非常有必要認(rèn)真學(xué)習(xí) TCP 協(xié)議，對 TCP 熟悉程度，在某種意義上也是你與別人拉開距離的重要標(biāo)識。

TCP 基礎(chǔ)

這里先幫小伙伴們熟悉和回顧下 TCP 的基本概念，以至于能夠更好的理解文章后邊的內(nèi)容。

TCP 其實是非常復(fù)雜的協(xié)議，我們先聊一些基礎(chǔ)的。我們知道 TCP 是一種可靠的協(xié)議，它主要通過解決這幾個問題來實現(xiàn)可靠性的，分別是：亂序、丟包重傳、流控、擁塞控制。通過從圖中報文格式的字段，也能夠簡單了解到 TCP 的相關(guān)概念。

• TCP 在網(wǎng)絡(luò) OSI 七層模型中的第四層，TCP 包是沒有 IP 地址的，但有源端口和目的端口，用來標(biāo)識通信的進程。

• Sequence Number是記錄包的序號，TCP 會按照報文字節(jié)進行編號，它是用來解決包在網(wǎng)絡(luò)中亂序的問題。

• Acknowledgement Number確認(rèn)序列號，是用于向發(fā)送方確認(rèn)已經(jīng)收到了哪些包，用來解決不丟包的問題。

• Windows也叫Advertised-Windows，也就是著名的滑動窗口，主要是用來解決流控的。

• TCP Flag就是包的類型，主要是用于操控 TCP 狀態(tài)機的。

三次握手

三次握手是各個公司常見的面試考點。以過來人經(jīng)驗來講，雖然該問題看似簡單，但你還真不一定能夠回答的好。

見過比較典型面試問答場景：

面試官：請描述一下三次握手的過程吧
求職者：第一次客戶端給服務(wù)端發(fā)送一個報文，第二次是服務(wù)器收到包之后，也給客戶端應(yīng)答一個報文，第三次是客戶端再給服務(wù)器發(fā)送一個回復(fù)報文，TCP 三次握手成功。
面試官：還有嗎？
求職者：說完了哈，這就是三次握手，很簡單的
面試官：嗯，我沒什么問的了，你還有什么問題嗎？

這時求職者緊張的心終于平靜了，因為面試官沒有深入下去的意思，繼續(xù)問下去可能也不懂，皆大歡喜！當(dāng)然本次面試基本上也就game over了。

求職者回答的不正確么？正確，但是回答的過于簡單，離面試官的期望的答案還有一定的距離，我們該怎么回答呢？

TCP 三次握手，其實就是建立一個 TCP 連接，客戶端與服務(wù)器交互需要 3 個數(shù)據(jù)包。握手的主要作用就是為了確認(rèn)雙方的接收和發(fā)送能力是否正常，初始序列號，交換窗口大小以及 MSS 等信息。

• 第一次握手：客戶端發(fā)送SYN報文，并進入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)器的確認(rèn)；

• 第二次握手：服務(wù)器收到SYN報文，需要給客戶端發(fā)送ACK確認(rèn)報文，同時服務(wù)器也要向客戶端發(fā)送一個SYN報文，所以也就是向客戶端發(fā)送SYN + ACK報文，此時服務(wù)器進入SYN_RCVD狀態(tài)；

• 第三次握手：客戶端收到SYN + ACK報文，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包，客戶端進入ESTABLISHED狀態(tài)。待服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的ACK包也會進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手。

我們回答時，可以先簡單概述 TCP 過程，然后三次握手具體描述時，需要說明狀態(tài)的基本轉(zhuǎn)換。

TCP 三次握手，其實就是 TCP 應(yīng)用在發(fā)送數(shù)據(jù)前，通過 TCP 協(xié)議跟通信對方協(xié)商好連接信息，建立起TCP的連接關(guān)系。

我們需要知道，TCP 連接并非是在通信設(shè)備兩端之間建立信號隧道，而本質(zhì)上就是雙方各自維護所需的狀態(tài)狀態(tài)，以達到 TCP 連接的效果。所以 TCP 狀態(tài)機是 TCP 的核心內(nèi)容，學(xué)習(xí) TCP 一定要搞懂這些狀態(tài)機之間的轉(zhuǎn)換。

二次握手可以嗎

問：為什么 TCP 采用三次握手，二次握手可以嗎？

我們可以從幾個方面來解釋：

（一）確認(rèn)雙方的收發(fā)能力

TCP 建立連接之前，需要確認(rèn)客戶端與服務(wù)器雙方的收包和發(fā)包的能力。

1. 第一次握手：客戶端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包，服務(wù)端收到了。這樣服務(wù)端就能得出結(jié)論：客戶端的發(fā)送能力、服務(wù)端的接收能力是正常的。

2. 第二次握手：服務(wù)端發(fā)包，客戶端收到了。這樣客戶端就能得出結(jié)論：服務(wù)端的接收、發(fā)送能力，客戶端的接收、發(fā)送能力是正常的。不過此時服務(wù)器并不能確認(rèn)客戶端的接收能力是否正常。

3. 第三次握手：客戶端發(fā)包，服務(wù)端收到了。這樣服務(wù)端就能得出結(jié)論：客戶端的接收、發(fā)送能力正常，服務(wù)器自己的發(fā)送、接收能力也正常。

所以，只有三次握手才能確認(rèn)雙方的接收與發(fā)送能力是否正常。

（二）序列號可靠同步

如果是兩次握手，服務(wù)端無法確定客戶端是否已經(jīng)接收到了自己發(fā)送的初始序列號，如果第二次握手報文丟失，那么客戶端就無法知道服務(wù)端的初始序列號，那 TCP 的可靠性就無從談起。

（三）阻止重復(fù)歷史連接的初始化

客戶端由于某種原因發(fā)送了兩個不同序號的SYN包，我們知道網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是復(fù)雜的，舊的數(shù)據(jù)包有可能先到達服務(wù)器。如果是兩次握手，服務(wù)器收到舊的SYN就會立刻建立連接，那么會造成網(wǎng)絡(luò)異常。

如果是三次握手，服務(wù)器需要回復(fù)SYN+ACK包，客戶端會對比應(yīng)答的序號，如果發(fā)現(xiàn)是舊的報文，就會給服務(wù)器發(fā)RST報文，直到正常的SYN到達服務(wù)器后才正常建立連接。

所以三次握手才有足夠的上下文信息來判斷當(dāng)前連接是否是歷史連接。

（四）安全問題

我們知道 TCP 新建連接時，內(nèi)核會為連接分配一系列的內(nèi)存資源，如果采用兩次握手，就建立連接，那會放大 DDOS 攻擊的。

TCP 作為一種可靠傳輸控制協(xié)議，其核心思想：既要保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，又要提高傳輸?shù)男?，而三次握手恰好可以滿足以上兩方面的需求！

初始序列號（ISN）

問：ISN 代表什么？意義何在？ISN 是固定不變的嗎？ISN為何要動態(tài)隨機？

ISN 是什么？

答：ISN全稱是Initial Sequence Number，是 TCP 發(fā)送方的字節(jié)數(shù)據(jù)編號的原點，告訴對方我要開始發(fā)送數(shù)據(jù)的初始化序列號

ISN 是固定不變的嗎？

答：ISN 如果是固定的，攻擊者很容易猜出后續(xù)的確認(rèn)序號，為了安全起見，避免被第三方猜到從而發(fā)送偽造的RST報文，因此 ISN 是動態(tài)生成的

半連接隊列

什么是半連接隊列？

答：服務(wù)器第一次收到客戶端的SYN之后，就會處于SYN_RCVD狀態(tài)，此時雙方還沒有完全建立連接。服務(wù)器會把這種狀態(tài)下請求連接放在一個隊列里，我們把這種隊列稱之為半連接隊列。

當(dāng)然還有一個全連接隊列，就是已經(jīng)完成三次握手，建立起連接的就會放在全連接隊列中。如果隊列滿了就有可能會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

三次握手可以攜帶數(shù)據(jù)嗎？

問：三次握手過程中，可以攜帶數(shù)據(jù)嗎？

答：第一次、第二次握手不可以攜帶數(shù)據(jù)，而第三次握手是可以攜帶數(shù)據(jù)的。

我們可以思考一個問題，假如第一次握手可以攜帶數(shù)據(jù)的話，如果有人要惡意攻擊服務(wù)器，那他每次都在第一次握手中的 SYN 報文中放入大量的數(shù)據(jù)，瘋狂著重復(fù)發(fā) SYN 報文，這會讓服務(wù)器花費大量的內(nèi)存空間來緩存這些報文，這樣服務(wù)器就更容易被攻擊了。

對于第三次握手，此時客戶端已經(jīng)處于連接狀態(tài)，他已經(jīng)知道服務(wù)器的接收、發(fā)送能力是正常的了，所以可以攜帶數(shù)據(jù)是情理之中。

TCP 四次揮手

當(dāng)我們的應(yīng)用程序不需要數(shù)據(jù)通信了，就會發(fā)起斷開 TCP 連接。建立一個連接需要三次握手，而終止一個連接需要經(jīng)過四次揮手。

• 第一次揮手?？蛻舳税l(fā)起FIN包（FIN = 1）,客戶端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)。TCP 規(guī)定，即使FIN包不攜帶數(shù)據(jù)，也要消耗一個序號。

• 第二次揮手。服務(wù)器端收到FIN包，發(fā)出確認(rèn)包ACK（ack = u + 1），并帶上自己的序號 seq=v，服務(wù)器端進入了CLOSE_WAIT狀態(tài)。這個時候客戶端已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送了，不過服務(wù)器端有數(shù)據(jù)發(fā)送的話，客戶端依然需要接收?？蛻舳私邮盏椒?wù)器端發(fā)送的ACK后，進入了FIN_WAIT_2狀態(tài)。

• 第三次揮手。服務(wù)器端數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，向客戶端發(fā)送FIN包（seq=w ack=u+1），半連接狀態(tài)下服務(wù)器可能又發(fā)送了一些數(shù)據(jù)，假設(shè)發(fā)送 seq 為 w。服務(wù)器此時進入了LAST_ACK狀態(tài)。

• 第四次揮手?？蛻舳耸盏椒?wù)器的FIN包后，發(fā)出確認(rèn)包（ACK=1，ack=w+1），此時客戶端就進入了TIME_WAIT狀態(tài)。注意此時 TCP 連接還沒有釋放，必須經(jīng)過2*MSL后，才進入CLOSED狀態(tài)。而服務(wù)器端收到客戶端的確認(rèn)包ACK后就進入了CLOSED狀態(tài)，可以看出服務(wù)器端結(jié)束 TCP 連接的時間要比客戶端早一些。

問：為什么建立連接握手三次，關(guān)閉連接時需要是四次呢？

答：其實在 TCP 握手的時候，接收端發(fā)送SYN+ACK的包是將一個ACK和一個SYN合并到一個包中，所以減少了一次包的發(fā)送，三次完成握手。

對于四次揮手，因為 TCP 是全雙工通信，在主動關(guān)閉方發(fā)送 FIN 包后，接收端可能還要發(fā)送數(shù)據(jù)，不能立即關(guān)閉服務(wù)器端到客戶端的數(shù)據(jù)通道，所以也就不能將服務(wù)器端的FIN包與對客戶端的ACK包合并發(fā)送，只能先確認(rèn)ACK，然后服務(wù)器待無需發(fā)送數(shù)據(jù)時再發(fā)送FIN包，所以四次揮手時必須是四次數(shù)據(jù)包的交互。

問：為什么TIME_WAIT 狀態(tài)需要經(jīng)過 2MSL 才能返回到 CLOSE 狀態(tài)？

答：MSL指的是報文在網(wǎng)絡(luò)中最大生存時間。在客戶端發(fā)送對服務(wù)器端的FIN的確認(rèn)包ACK后，這個ACK包是有可能不可達的，服務(wù)器端如果收不到ACK的話需要重新發(fā)送FIN包。

所以客戶端發(fā)送ACK后需要留出2MSL時間（ACK 到達服務(wù)器 + 服務(wù)器發(fā)送 FIN 重傳包，一來一回）等待確認(rèn)服務(wù)器端確實收到了 ACK 包。

也就是說客戶端如果等待2MSL時間也沒有收到服務(wù)器端的重傳包FIN，說明可以確認(rèn)服務(wù)器已經(jīng)收到客戶端發(fā)送的ACK。

還有第 2 個理由，避免新舊連接混淆。

在客戶端發(fā)送完最后一個ACK報文段后，在經(jīng)過2MSL時間，就可以使本連接持續(xù)的時間內(nèi)所產(chǎn)生的所有報文都從網(wǎng)絡(luò)中消失，使下一個新的連接中不會出現(xiàn)這種舊的連接請求報文。

你要知道，有些自作主張的路由器會緩存 IP 數(shù)據(jù)包，如果連接重用了，那么這些延遲收到的包就有可能會跟新連接混在一起。

總結(jié)

本篇文章以 TCP 三次握手和四次揮手這個經(jīng)典問題為主題，初步窺探了 TCP 協(xié)議的入門知識點，后邊會有一系列的文章，來分享 TCP 協(xié)議相關(guān)的方方面面，如果感興趣請關(guān)注我，我們一起把 TCP 協(xié)議徹底搞透徹了。

最后，幫大家總結(jié)一下 TCP 的核心知識點。我們知道 TCP 協(xié)議是可靠的，它主要是通過解決如下幾個問題來保證可靠性的：

• 亂序

• 丟包

• 流控

• 擁塞控制

TCP 是一個巨復(fù)雜的協(xié)議，基本上 TCP 涉及的所有內(nèi)容都是圍繞解決這幾個問題的，請務(wù)必時刻認(rèn)真牢記。