你以为你了解TCP协议？这些你可能不知道的细节才是关键！

引言

在之前的内容中，我们已经详细讲解了TCP面试中最常见的问题，如三次握手和四次挥手等。而今天，我们将继续深入探讨TCP协议的其他方面，比如序列号和TCP Fast Open（TFO）等重要细节问题。这些内容将为你在面试中提供更全面的知识储备。

为什么 SYN/FIN 不包含数据却要消耗⼀个序列号？

SYN/FIN 是 TCP 协议中的标志位，用于建立和关闭连接。它们不包含数据，但需要消耗一个序列号的原因是为了保持 TCP 连接的可靠性。

在 TCP 连接建立时，客户端发送 SYN 包给服务器端，服务器端接收到后发送 SYN+ACK 包给客户端，最后客户端发送 ACK 包确认连接建立。这个过程中，每个包都需要有一个序列号来标识数据的顺序和确认接收。

类似地，在 TCP 连接关闭时，FIN 包被用来表示一端希望关闭连接。发送 FIN 包的一端会等待对方发送 ACK 包来确认关闭，然后再发送 ACK 包进行最终确认。同样，这个过程中的每个包都需要有一个序列号。

通过使用序列号，TCP 协议可以保证数据的可靠传输，确保数据按照正确的顺序到达目标。因此，即使 SYN/FIN 包本身不携带数据，它们仍然需要消耗一个序列号来维护连接的可靠性。

如果在建立或关闭TCP连接时不发送序列号，将会导致连接的可靠性和数据的顺序无法保证。

在建立连接时，发送方的SYN包没有序列号，接收方无法准确地判断数据包的顺序。这可能导致接收方无法正确地响应SYN+ACK包，从而导致连接无法建立。

在关闭连接时，如果不发送序列号，接收方无法准确地确认关闭请求，并且无法确定关闭顺序。这可能导致连接无法成功关闭，或者导致数据丢失或混乱。

什么是半连接队列？什么是SYN Flood攻击？

半连接队列（Half-open connection queue）是指TCP服务器在处理连接请求时，当收到客户端发送的SYN包（同步包）时，会将该连接请求添加到半连接队列中。半连接队列中保存了已收到SYN包但还未完成三次握手的连接请求。

SYN Flood攻击是一种网络攻击方式，它利用TCP协议的漏洞，大量地向目标服务器发送伪造的SYN包，使服务器的半连接队列被耗尽。当服务器的半连接队列被耗尽后，正常的连接请求无法得到处理，导致服务不可用。

在SYN Flood攻击中，攻击者发送大量的伪造源IP地址的SYN包给目标服务器，但攻击者并不真正完成三次握手建立连接，而是让服务器一直等待，从而消耗服务器的资源。由于服务器需要为每个未完成的连接请求分配一些资源，当半连接队列被耗尽时，服务器将无法处理正常的连接请求，导致服务崩溃或变得不可用。

为了防止SYN Flood攻击，服务器可以采取一些防御措施，例如使用防火墙过滤掉伪造源IP的SYN包、增加半连接队列的大小、限制每个IP地址的连接请求数量等。这些措施可以帮助服务器抵御SYN Flood攻击并保持正常的服务运行。

说说TCP快速打开(TFO)的原理

在TCP快速打开（TFO）中，服务器端在收到客户端的初始连接请求（SYN包）时，会生成一个cookie，并将该cookie携带在返回给客户端的SYN-ACK包中。客户端收到SYN-ACK包后，会将服务器返回的cookie缓存在本地。

以下是第一次请求获取cookie值的全过程图：

在后续的连接请求中，客户端可以利用缓存的cookie直接发送给服务器，从而减少握手次数。以下是使用缓存的cookie值开始快速传输数据的流程图示例：

TCP Fast Open的优势

快速打开（TFO）在TCP协议中的一个最显著的优点是可以利用握手去除一个往返 RTT。当服务器收到带有TFO cookie的连接请求时，可以直接使用该cookie进行验证，而无需进行完整的三次握手过程。这样可以极大地减少了连接建立的时间，提高了网络性能和响应速度。

此外，TFO还可以有效地防止SYN-Flood攻击等恶意行为。通过使用TFO技术，服务器可以在接收到带有TFO cookie的连接请求时，直接验证cookie，并将请求放入半连接队列，而不会消耗服务器资源进行完整的三次握手。这样可以有效地减轻服务器的负载，并且只有合法的连接请求才能通过验证，从而防止了SYN-Flood攻击等恶意攻击。

TCP报文中的时间戳有什么作用？

TCP Timestamps Option是由四个主要部分构成的。这四个部分分别是类别（kind）、长度（Length）、发送方时间戳（TS value）和回显时间戳（TS Echo Reply）。其中，发送方时间戳和回显时间戳被认为是该选项中最重要的两个字段。

TCP 的时间戳主要解决两大问题

计算往返时延 RTT(Round-Trip Time)

在启用Timestamps选项之后，由于ACK包中包含了TSval和TSecr，因此无论是正常的确认包还是重传的确认包，都可以通过这两个值来计算出往返时间（RTT）。这样一来，我们可以更准确地估算网络的延迟情况。

防止序列号的回绕问题

TCP的序列号使用32位来表示，因此在传输了2^32字节的数据之后，序列号会发生溢出并重新开始计数。为了解决这个问题，TCP引入了窗口缩放选项，可以将窗口大小最大扩展到1GB（2^30），这样在高速网络中，序列号可以在很短的时间内被重复使用，从而更好地支持高速数据传输。

假设我们发送了6个数据包，每个数据包的大小为1GB。在这个过程中，由于序列号的回绕，第5个包的序列号与前面要发送的包序列号完全相同。同时，第2个包由于某些原因延迟导致需要进行重传，直到时间t7才到达。如果没有一些措施进行区分，这个阻塞数据包会导致数据的紊乱。

然而，由于存在Timestamps，我们可以通过TSval和TSecr来区分阻塞数据包与第6个包。通过比较这两个值，我们可以确定数据包的先后顺序，从而避免数据的混乱。因此，Timestamps的存在对于解决这种情况非常重要。

总结

通过本文的讨论，我们对TCP协议的一些重要细节有了更深入的了解。首先，我们了解到为什么SYN/FIN包需要消耗一个序列号，这是为了保证TCP连接的可靠性和数据的顺序。其次，我们探讨了半连接队列和SYN Flood攻击，了解了它们在TCP连接建立和安全性方面的作用。然后，我们学习了TCP快速打开（TFO）的原理和优势，它可以减少连接建立时间，并有效防止恶意攻击。最后，我们了解了TCP报文中的时间戳的作用，它可以帮助计算往返时延和解决序列号回绕问题。通过对这些细节的了解，我们可以更好地理解和应用TCP协议，提高网络性能和安全性。

以上只是一篇关于TCP协议的面试文章的一小部分内容。后续将会提供更多有针对性的面试题，以深入探讨TCP协议的相关细节。

作者：努力的小雨
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来源：稀土掘金