【网络相关面试问题——八股文篇（中）】

目录

一、传输层中关于TCP的其余内容

1、关于连接管理中如何断开连接？

三次握手和四次挥手的区别：

不能合并的原因：

 关于断开连接，我们需要了解两个比较重要的状态：

2.滑动窗口

此时我们忽略了一个很重要的问题：丢包~！！！！

三、流量控制

 四、拥塞控制

五、延时应答

六、捎带应答（延时应答的延伸）

 七、面向字节流=》粘包问题

八、TCP异常处理

（1）进程终止

（2）机器关机

（3）机器掉电、网线断开

总结：

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在上篇中我们说到了关于保证TCP可靠传输的连接管理机制，需要重点理解三次握手的含义~

接下来我们来继续探究关于网络的其他知识~

一、传输层中关于TCP的其余内容

1、关于连接管理中如何断开连接？

在三次握手成功之后，客户端和服务器之间就建立好了连接，并且建立好连接之后，操作系统内核中，就需要使用一定的数据结构来保存连接相关的信息。其中最重要的就是“五元组”，并且客户端服务器都得保存五元组，即源IP、源端口、目的IP、目的端口、协议类型（TCP）。保存信息就需要占用系统资源（内存）~~

等到连接断开了，此时双方保存的连接信息就没有什么意义了，对应的空间也就释放了。

 

 双方各自向对方发送了FIN（结束报文段）请求，并且各自给对方一个ACK确认报文。

三次握手和四次挥手的区别：

三次握手一定是客户端主动发起的（主动发起的一方才叫客户端）；

四次挥手，可能是客户端发起的，也有可能是服务器主动发起的。

三次挥手，中间两次能合并；

四次挥手，中间两次有时候合并不了（有时候能合并）。

不能合并的原因：

B发送ACK和B发送FIN的时机是不同的。四次挥手中，B给A发的ACK，是内核负责的。B给A发的FIN是用户代码负责的（B的代码中调用了socket.close（）方法，才会触发FIN）。B一旦收到了FIN，立即就会由内核返回ACK，但是执行到用户代码中的close才会触发FIN。取决于用户代码的逻辑，如果这两个操作之间的时间差比较大，就不能合并为一条了，相反如果时间差比较小，这是可能会合并的（延时应答和捎带应答）。

三次握手中，B发送的ACK和SYN都是操作系统内核负责进行的，所以能进行合并。

 关于断开连接，我们需要了解两个比较重要的状态：

CLOSE_WAIT:四次挥手挥了两次之后出现的状态，这个状态就是在等待代码中调用socket.close方法来进行后续的挥手过程。

TIME_WAIT:谁主动发起FIN，谁就进入TIME_WAIT，起到的效果，就是给最后一次ACK提供重传的机会。上图看起来A发送玩ACK后就没有A什么事了，理论上说A就应该销毁连接释放资源了，但是并没有直接释放，而是会进入TIME_WAIT状态等待一段时间，一段时间之后再进行资源和连接的释放。等待的这一段时间，就是怕最后一个ACK丢包！！！如果最后一个ACK丢包了，就意味着B过一会就会重传FIN。（B无法区分是FIN丢了，还是ACK丢了，B就做最坏打算FIN丢了，于是就重传FIN）（假设A在收到FIN之后，发送完ACK就立即释放了连接，当重传的FIN到达A之后，此时就无人能处理这个FIN也就无人能针对这个FIN进行应答了）

扩展知识：TIME_WAIT应该持续多久？

设定的时间是2 * MSL。（MSL表示网络上任意两点之间，传输需要的最大时间）这是时间也是系统上可以配置的参数，一个典型的设置就是60S（经验值）。

2.滑动窗口

为什么要有滑动窗口？

滑动窗口存在的意义就是在保证可靠性的前提下，尽量提高传输效率。

 图中描述了主机A和主机B的通信过程，A每发送一组数据，都需要等待B的ACK，由于确认应答机制的存在，导致了每完成一次发送从操作，都需要等待上个ACK的到达才进行下一次发送操作，这么一来，大量时间都花在了等ACK上了，效率就很低效。

举个例子：

女生A让其男朋友B给他取快递，必须这个快递取回来了才让他取下一个：

A：给我取个韵达的快递~

B：好的~

B去快递超市/菜鸟驿站跑了一趟，把韵达的快递取到了。

A：给我取个顺丰的快递~

B：好的~

B又去快递超市/菜鸟驿站跑了一趟，把顺丰的快递取到了。

A：再给我取个中通的快递~

B：（靓仔无语，靓仔心态崩了，靓仔还不敢说不去）好的~

B：B又去快递超市/菜鸟驿站跑了一趟，把中通的快递取到了。

 上述例子就好比确认应答机制，这样一来，大量的时间就浪费在了取快递的路上，显然靓仔心态也很崩，女生等待的时间也很长~~~~

此时滑动窗口应运而生：

本质上就是“批量的发送数据”，一次发送一波数据，然后一起等一波ACK。

 主机A一次向主机B发送了4组数据，在发送这四组的过程中，不进行等待，这四组都发完了，同一等待ACK。

此时一个等待时间，等待了多组数据的ACK，就把等待多份的ACK的时间压缩成一份了，效率大大提升~~~

由于TCP的保证可靠传输的，可靠传输的灵魂所在就是确认应答，如果没有这个ACK，可靠传输就是一句空话，形同虚设，所以是不得不去等ACK的~

仍然是上述例子，区别在于这里A直接向B一次发送了三个取快递的请求，B一次性取完之后统一到一起回复给A。

 ①、如果一次批量发送数据为N组，统一等待一波，此时这里N称为“窗口大小”。

②、“滑动”的含义：并非把这N组数据的ACK都等到了才继续往下发送，而是收到一个ACK，就继续往下发送一组~

 如图所示：

一次发送了4组数据，1-1000、1001-2000、2001-3000、3001-4000，当1001这个ACK到达之后，就认为1-1000这个数据已经收到了，然后就可以立即发送下一组数据，2001这个ACK到达之后，就认为1001-2000这个数据已经收到了，可以立即发送下一组数据~

随着ACK的接连到来，就接连的发送新的数据，此时这个“窗口”（需要等待的ACK），就在逐渐往后滑动~~~

等待的ACK依次为1001、2001、3001、4001.......依次类推滑动

总的来说，当前这个窗口大小越大，可以认为就是传输速度就越快，窗口大了，同一份时间内等待的ACK就更多，总体的等待ACK的时间就少了。

此时我们忽略了一个很重要的问题：丢包~！！！！

那么在滑动窗口的背景下，如果丢包了，该如何重传呢？

丢包分为两种情况：

（一）ACK丢了

下面来看关于ACK含义的图：

此处只考虑ACK丢了的情况，不考虑发送的数据丢了的情况。

ACK确认序号的特定含义，就保证了后一条ACK就能涵盖前一条。

1001这个ACK意味着1001之前的数据都已经确认收到了，2001这个ACK意味着2001之前的数据也都已经确认收到了，此时假设1001这ACK丢了，2001这个ACK到达了，我们仍可以认为1001之前的数据都已经传达到了。假设一次发送了四组数据，每组数据的大小为1000，初次发送完毕这四组数据后就进入等待ACK的阶段，当1001、2001、3001这三个ACK都没有到达的时候，4001这个ACK到达了，此时我们可以直接将窗户往后挪动四个格子，不用等待前三个ACK的抵达了。

（二）发送的数据丢了

 从图中我们可以看到，主机A同时向主机B传输了7组数据，每组数据大小为1000，1001-2000这组数据并没有顺利到达主机B，而是丢包了，此时进入等待ACK阶段，收到了第一个1001表示已经接收1-1000字节的数据，B在在连续收到三次重复的确认应答后，主机A就会意识到1001-2000这组数据丢了，于是就自动进行1001-2000这组数据的重传。即便A给B已经往后发了7001-8000，这个时候B仍然是在索要1001-2000这组数据。索要若干次之后，主机A就明白了，就触发了重传。

一旦A将1001-2000这组数据重传之后，B收到这组数据，后续的2001-7000这些数据都已经传输过了，不必再进行重传，B发送的ACK直接就会是8001，意味着B向A索要8001开始的数据~

三、流量控制

是滑动窗口的延伸，目的也是为了保证可靠性。

在滑动窗口中，窗口越大，传输速度就越高~~，此时考虑到接收方的接收速率，可能发送方打的贼快，接收方的处理速率和发送速率并不匹配，那么此时接收方就会把新收到的包给丢了。

流量控制的关键，就是能够衡量接收方的处理速度，此处就直接使用接收方缓冲区的剩余空间大小，来衡量当前的处理能力。

 此时发送方A将数据发送到B的接收方缓冲区，B的应用程序，在调用read方法的时候，就是在从接收缓冲区取数据。

这个过程类似于“生产者消费者模型”，A就是生产者，B就是消费者，B的接收缓冲区，就是交易场所。

接收缓冲区存在一定的空间大小，A发送数据，接收缓冲区就会自动填充A发来的数据供B的应用程序读取，剩余空间也在动态变化中，于是乎，如果剩余空间比较大，就认为B的处理能力比较强，此时就可以让A发的更快点，反之则让A发的慢点。

类似于水池注水： 

 剩余空间大，就通知注水方加快注水速度，剩余空间小，就通知注水方减缓注水速度。

那B如何告知A剩余空间有多大呢？

通过ACK报文来告知~~~

TCP报头的16位窗口大小，衡量当前接收方缓冲区剩余空间的大小，发送发收到这个数据之后，就会灵活的调整发送速率（窗口大小）。

虽然TCP报头中的窗口大小只有16位，但是这里的窗口大小不止64K，可以更大——实际上，TCP首部40字节选项中还包含了一个窗口扩大因子M，实际窗口大小是窗口字段的值左移M位。

 四、拥塞控制

也是滑动窗口的延伸，也是限制滑动窗口的发送速率。

拥塞控制衡量的是，发送发到接收方，这整个链路之间的拥堵情况。

 A的发送速率，不仅仅受B的接收缓冲区的负作用，还受中间链路的处理能力。

A和B并非直连，而是通过很多很多个节点连接起来的，A发送给B的数据经过这些节点传输至B的接收缓冲区，其间这些节点各自的处理速率并非相同的，又由于节点太多，所以很难对这些节点设备一一衡量。

拥塞控制的处理方案，就是通过实验的方式，逐渐调整发送速度，找到一个比较合适的值。（此处单单考虑中间链路的影响，而暂且不考虑接收方缓冲区的影响，假设接收方缓冲区是固定不变的）

做法：A开始的时候以一个比较小的窗口来发送数据，如果数据很流畅的就到达了B，于是就逐渐加大窗口的大小，如果加大到一定程度之后，出现了丢包现象，这个时候就认为通信出现了拥堵，这个时候再减小窗口大小。通过反复的增大/减小过程就摸到了一个合适的范围，拥塞窗口就在这个范围中不断变化，达到“动态平衡”。

 接下来对图进行分析：

①最开始的时候，取得窗口值非常小，纵轴是1个单位。

②指数增长到一定程度，就会进入线性增长。

③线性增长到一定程度，就会出现丢包，一旦丢包，此时发送方立即让窗口变小（回归到初始的窗口大小）继续重复刚才的指数增长+线性增长的过程。

④期望的最理想的效果，窗口大小在阈值和丢包窗口之间。

⑤指数增长的意义：初始情况下给的窗口太小了，可能合适的值是一个更大的值，通过上述这个过程，就可以更快的接近合适值，因此使用指数增长的方式。

⑥回归到初始窗口大小的意义：如果出现丢包，如果降速太慢，就会持续丢包，这就对了网络通信质量产生了很大的影响，因此一下让窗口回归初始值。

⑦ssthresh阈值就决定了啥时候从指数增长变为线性增长，这个阈值取决于当前发生丢包时的窗口大小的一半。

五、延时应答

相当于流量控制的延伸。

流量控制相当于是控制发送发的发送速率，延时应答，就是在这个基础上，能够尽量再让窗口更大一些~

在注水的例子中，注水的同时也在放水，每次注入水时都会询问当前水池的剩余空间，此处延时应答采用的策略是不立即回应发送方，而是等待一段间隔后回答，在这段时间内，放水的过程一直在持续，放掉更多的水，提供更多的空间。

这个操作就是在有限的情况下，又尽可能的提高了一点传输速率。

六、捎带应答（延时应答的延伸）

以客户端、服务器之间的通信来描述：

 A向B发送请求，此时B收到请求，立即回复一个ACK（对请求做出响应）（由操作系统内核完成），B的上层应用程序对A的请求做出响应（代码执行），此时B又要向A发送代码执行的响应，由于延时应答的存在，B并不会在收到请求的第一时间返回系统内核发送的ACK，而是等待一段时间系统内核对A的请求做出应答，如果此时应用程序代码中返回的响应刚好也要进行回应，时机重合了，就可以把这个ACK和响应数据合二为一进行发送~

 七、面向字节流=》粘包问题

TCP粘包问题指的是：应用层的数据报在TCP接收端缓冲区中，若干个应用层数据报混在一起，分不清独立的数据报了。

客户端发送的数据报到达B之后，就会进行分用，分用意味着把TCP数据报进行解析，取出其中的应用层数据，放到接收缓冲区中，以供应用层序来读取调用。 此时缓冲区中的数据是连续的，服务器在对请求的数据报进行读取操作的时候，并不能很好的区分这些数据分别属于哪个数据报。解决措施的关键就是在应用层协议这里，加入包之间的边界用于区分。例如使用特定字符来规划边界等措施。

八、TCP异常处理

（1）进程终止

在进程毫无准备的情况下，突然结束进程。TCP连接是通过socket来建立的，socket本质上是进程打开的一个文件，文件其实就存在于进程的PCB里面的文件描述符表，每打开一个文件，都在文件描述符表里增加一项，每次关闭一个文件，都在文件描述符表里进行删除一项，如果直接杀死了进程，PCB此时也就没了，里面的文件描述符表更不复存在，此处的文件就相当于自动关闭了。

（2）机器关机

按照操作系统约定的正常流程关机（并非直接按钮关机）正常流程的关机，会给进程一点时间，杀死所有的进程，然后再关机。

（3）机器掉电、网线断开

直接霸王想、按下关机键~

操作系统不会有任何的反应，更不会做任何的处理。

 如果服务器断电，A发送的数据将收不到ACK，A就会进入超时重传的逻辑，重传几次后A认为连接出现了故障，尝试重新建立连接，重连失败，A就放弃连接了，A主动释放和B相关的连接。

如果客户端断电，B不知道是A挂了，还是A过会儿再继续，B就时不时的给A发送一个探测报文（不具备任何意义，单纯为了触发ACK），通过探测报文，发现A不返回ACK了，B就会认为A出现了问题，于是就和上述A一样释放和A相关的连接。

总结：

啥时候使用TCP？啥时候使用UDP？

对可靠性有一定要求的使用TCP；对可靠性要求不高，对于效率要求更高的使用UDP。