TCP/IP 网络协议面试笔记

TCP/IP 网络协议面试笔记

参考：网络知识点集锦、TCP 半连接与全连接队列

1 IP 数据报分片的目的

适应各个物理网络不同的 MTU（最大传输单元）。当一个数据报尺寸大于所发网络的 MTU 时，路由器将 IP 数据报分成若干较小的部分（分片），再独立发送。

2 FTP/SMTP 默认端口

  • FTP：21 是控制端口，20 是数据端口；
  • SMTP：25。

3 TCP 三次握手与四次挥手

三次握手建立连接

  1. 客户端发送 SYN=1、SEQ=x 的数据包，请求建立连接；
  2. 服务端回复 SYN=1、ACK=1、ACK_NUMBER=x+1、SEQ=y；
  3. 客户端发送 ACK=1、ACK_NUMBER=y+1、SEQ=x，连接建立。

标志位含义

  • SYN：同步标志，仅在三次握手中有效；
  • ACK：确认标志，确认号 = 发送方序号 + 1（下一个预期序号）；
  • RST：复位标志，用于复位连接；
  • URG：紧急标志；
  • PSH：推标志，接收端不再排队而是尽快交给应用处理（telnet/rlogin 交互模式总置位）；
  • FIN：结束标志，对应端口仍开放，可接收后续数据。

四次挥手关闭连接

  1. Client 调用 close()，发送 FIN、SEQ=M；
  2. Server 收到后返回 ACK（M+1），关闭读通道（此时 read 返回 0），状态转 CLOSE_WAIT；
  3. Server 调用 close() 发送 FIN、SEQ=N；
  4. Client 回复 ACK（N+1），关闭读通道进入 TIME_WAIT；Server 收到 ACK 转 CLOSED；
  5. Client 在 TIME_WAIT 等待 2 倍 MSL 后进入 CLOSED。

注意：TCP 是双向连接，关闭需在两个方向进行；FIN 包总带 ACK 标记，没有 ACK 仅 FIN 的包通常被视为恶意的。

4 为什么需要 TIME_WAIT

  1. 保证全双工连接可靠关闭：若最后的 ACK 丢失，Server 会重发 FIN，Client 必须维护状态以便重发 ACK，否则 Server 收到 RST 误以为出错；
  2. 保证这次连接的重复数据段从网络中消失：若直接 CLOSED，新连接可能与旧连接端口号相同，延迟数据会被 TCP 误判为新连接的数据。等待 2MSL 保证本次连接的所有数据从网络消失。

相关内核参数：tcp_fin_timeout（默认 60s）、tcp_tw_reuse（1 允许重用）、tcp_tw_recycle（1 快速回收）。主动关闭方进入 TIME_WAIT，持续 2 个 MSL（Windows 默认 240 秒）。

5 什么是 2MSL

MSL（Maximum Segment Lifetime）是报文最大生存时间，超过即丢弃。RFC 793 规定 MSL 为 2 分钟，实际常用 30 秒/1 分钟/2 分钟。TIME_WAIT 状态持续 2MSL，防止最后 ACK 丢失后无法重发。TIME_WAIT 期间端口不可用，可通过 SO_REUSEADDR 复用。

6 Server 与 Client TCP 状态机

  • 客户端：CLOSED -> SYN_SENT -> ESTABLISHED -> FIN_WAIT_1 -> FIN_WAIT_2 -> TIME_WAIT -> CLOSED
  • 服务端：CLOSED -> LISTEN -> SYN-RECEIVED -> ESTABLISHED -> CLOSE_WAIT -> LAST_ACK -> CLOSED

关键状态：LISTEN 监听；SYN-SENT 等待匹配请求；SYN-RECEIVED 收到请求并确认；ESTABLISHED 连接打开；FIN-WAIT-1 等待中断确认；FIN-WAIT-2 等待对端发中断请求；CLOSE-WAIT 等待处理数据；LAST-ACK 等待确认；TIME-WAIT 等待足够时间确保对端收到确认；CLOSED 无连接状态。

7 TCP 包头结构

源端口(16) + 目标端口(16) + 序列号(32) + 回应序号(32) + TCP头长度(4) + reserved(6) + 控制代码(6) + 窗口大小(16) + 偏移量(16) + 校验和(16) + 选项(32，可选)。TCP 包头最小长度 20 字节。

8 SYN_RECV 与 CLOSE_WAIT

  • SYN_RECV：服务端收到 SYN 未收到 ACK 时处于此状态。相关配置：tcp_synack_retries（默认 5）、tcp_syncookies（防 SYN Flood）。大量 SYN_RECV 的半连接导致半连接队列溢出，连接请求被丢弃，即 SYN Flood 攻击；SYN Cookie 是有效防御手段；
  • CLOSE_WAIT：被动关闭方收到 FIN 但未发出 ACK 的状态。大量 CLOSE_WAIT 通常是服务端代码问题（连接关闭不彻底），应检查代码。

9 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层

OSI 参考模型 TCP/IP 说明 协议
应用层 应用层 为应用程序提供服务 HTTP FTP SMTP DNS
表示层 - 数据格式转换、加密  
会话层 - 建立、管理和维护会话  
传输层 传输层 建立端到端连接 TCP UDP
网络层 网络层 IP 选址与路由 IP ICMP ARP RARP
数据链路层 数据链路层 介质访问和链路管理 Ethernet PPP
物理层 - 传输原始比特流 IEEE 802.1A 802.11

10 HTTP 1.0 / 1.1 / 2.0 区别

HTTP 1.1 相对 1.0：

  1. 断点续传：引入 range 头域，返回码 206；
  2. 缓存策略：1.1 引入 Entity tag、If-Unmodified-Since、If-Match、If-None-Match 等更多缓存控制头；
  3. 错误通知：新增 24 个错误状态码，如 409（冲突）、410（ Gone）永久删除；
  4. Host 头：虚拟主机时代请求必须带 Host 头，否则 400；
  5. 长连接：默认 Connection: keep-alive，一个 TCP 连接传送多个请求，减少连接建立开销；HTTP/2 在此基础上增加多路复用、头部压缩、二进制分帧等。

11 TCP 如何保证可靠性

  • 丢包重传：接收方回 ack，发送方未收到则重发；
  • 数据包校验：校验出错丢弃且不响应，超时后重发；
  • 失序数据重排序；
  • 应答机制：延迟几分之一秒确认；
  • 超时重传：启动定时器等待确认；
  • 丢弃重复数据；
  • 流量控制：可变大小滑动窗口协议，防止快主机使慢主机缓冲溢出；
  • 三次握手：传输前先建立连接；
  • 拥塞控制：拥塞窗口机制。

12 Nagle、延迟 ACK 与 TCP 粘包

  • Nagle 算法：小包合并发送，减少网络中小报文数量（有延迟风险，交互应用可关掉）；
  • 延迟 ACK：接收方延迟几百 ms 合并确认；
  • TCP 粘包：TCP 是字节流，不保留应用报文边界，需应用层协议（长度字段、分隔符）自行拆包。
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