【TCP】高频面试题

前言

在IT行业的求职过程中，传输控制协议（TCP）作为网络通信的核心协议之一，其相关面试题常常出现在各大公司面试中。TCP的稳定性和可靠性是支撑互联网数据传输的基石，因此，对TCP有深入理解不仅能够帮助求职者获得面试官的青睐，更是每一个网络工程师必备的技能。本文将列出27个高频出现的TCP面试题及其答案，帮助求职者在面试前做好准备。

问题1：什么是TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol）即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它由IETF的RFC 793定义，为互联网中的数据通信提供了稳定的传输机制。TCP在不可靠的IP层之上实现了数据传输的可靠性，通过使用确认、重传和错误检测等技术来确保数据的正确到达。

TCP的特点：

面向连接：TCP在数据传输之前需要建立连接，通信结束后会断开连接。
可靠传输：TCP确保数据包正确无误地从源点传送到目的地，若数据包在传输过程中丢失或出错，会被重新发送。
全双工通信：TCP允许数据在两个方向上同时传输，提高了通信效率。
流量控制：TCP通过滑动窗口机制进行流量控制，避免快速发送方压倒慢速接收方。
拥塞控制：TCP实施拥塞控制策略来避免网络拥塞，如慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复等。
有序传输：TCP保证数据按发送时的顺序到达接收端。
可变大小的滑动窗口：TCP使用可变大小的滑动窗口来动态调整数据传输速率。

问题2：TCP如何保证数据的可靠性

TCP通过序列号、确认应答、重传机制、流量控制和拥塞控制等机制来保证数据的可靠传输。

问题3：为什么说TCP是一种面向字节流的协议

TCP将数据视为一连串无边界的字节流，而不是一系列的消息，这意味着消息的边界不会在TCP头部中被保留。

问题4：TCP如何实现全双工通信

答案：TCP通过两个独立的缓冲区和两套不同的序列号来实现全双工通信，每个方向的数据传输互不干扰。

问题5：什么是TCP的头部结构

TCP头部至少包含源端口号、目的端口号、序列号、确认号、数据偏移、标志位、窗口大小、校验和、紧急指针和选项字段。

问题6：什么是滑动窗口机制

滑动窗口是一种流量控制机制，它允许发送方根据接收方的接收能力动态调整发送速率。

问题7：TCP的窗口缩放因子是什么

窗口缩放因子用于扩展TCP窗口的大小，使得在高速网络环境下可以更有效地利用带宽。

问题8：解释三次握手过程

三次握手是建立TCP连接的过程，包括SYN（同步序列编号）、SYN-ACK（同步和确认）、ACK（确认）三个步骤。

问题9：TCP为什么需要三次握手

TCP需要三次握手的主要原因是防止旧的重复连接引起连接混乱问题，以及同步初始化序列号。在网络状况比较复杂或者网络状况比较差的情况下，发送方可能会连续发送多次建立连接的请求。如果TCP握手的次数只有两次，那么接收方只能选择接受请求或者拒绝接受请求，但它并不清楚这次的请求是正常的请求，还是由于网络环境问题而导致的过期请求，如果是过期请求的话就会造成错误的连接。三次握手可以实现TCP初始化序列号的确认工作，TCP需要初始化一个序列号来保证消息的顺序。如果是两次握手则不能确认序列号是否正常，如果是四次握手的话会浪费系统的资源，因此TCP三次握手是最优的解决方案。

问题10：四次挥手是指什么

四次挥手是TCP关闭连接的过程，包括FIN（结束）、ACK（确认）、FIN（结束）、ACK（确认）四个步骤。

问题11：为什么挥手需要四次

TCP的四次挥手是为了确保数据流的正确和可靠地关闭。这需要双方都明确地确认关闭请求，并确保所有的数据包都已接收或处理。通过四次握手，每一方都可以确认对方已经完成了数据传输和接收的准备工作。

问题12：为什么TIME_WAIT等待的时间是2MSL

TIME_WAIT状态是TCP四次挥手中的一个重要状态，其持续时间通常是2MSL（最大段生存期）。这是为了确保在网络中的所有数据包都已过期并被丢弃，防止出现旧的数据包在网络中循环并导致连接错误关闭的问题。TIME_WAIT状态也提供了一个机会让发送方等待一段时间，以确保接收方已经收到了关闭连接的请求。

问题13：什么是TIME_WAIT状态

TIME_WAIT状态是TCP连接关闭过程中的一个状态，它确保最后一个数据包被对方成功接收，同时允许新的连接使用相同的端口号。

问题14：TCP中的拥塞控制是如何工作的

TCP的拥塞控制主要包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法，目的是防止网络拥塞导致丢包。

问题15：解释TCP的拥塞窗口和接收窗口的区别

拥塞窗口是发送方用来限制发送速率以避免网络拥塞的窗口，而接收窗口是接收方根据自身接收能力设置的窗口，用来告知发送方自己能够接收的数据量。

问题16：TCP的超时重传机制是如何工作的

当TCP发送数据后，如果在规定时间内没有收到对方的确认应答，则会认为数据丢失并重新发送该数据包。

问题17：TCP的延迟确认是如何工作的

延迟确认是为了提高网络效率，接收方在收到数据后不立即发送确认应答，而是等待一段时间后再发送。

问题18：TCP的最大报文段长度（MSS）是什么意思

最大报文段长度（MSS）是指在不分段的情况下，TCP层能够接受的最大数据包大小。

问题19：TCP如何处理丢包的情况

TCP通过序列号和确认应答来检测丢包，一旦发现丢包，就会启动重传机制。

问题20：TCP的紧急数据是什么

TCP的紧急数据是指需要立即传输的数据，它由URG标志位标识，并使用紧急指针字段指示紧急数据的结束位置。

问题21：什么是Nagle算法

Nagle算法是一种减少网络中小规模数据包数量的算法，它尝试将多个小的数据包合并成一个大的数据包进行发送。

问题22：TCP和UDP的主要区别是什么

TCP是面向连接的、可靠的协议，而UDP是无连接的、不可靠的协议。TCP提供数据的顺序传输和错误校验，UDP则更加注重速度和效率。

问题23：TCP和HTTP之间有什么关系

HTTP是一种应用层协议，它通常运行在TCP之上，利用TCP提供的可靠数据传输服务来进行网页内容的传输。

问题24：什么场景下服务端会主动断开连接

第一个场景：HTTP 没有使用长连接（Keep-Alive）机制客户端或服务端禁用了 HTTP Keep-Alive；

第二个场景：HTTP 长连接超时假设设置了 HTTP 长连接的超时时间是 60 秒，nginx 就会启动一个「定时器」如果客户端在完后一个 HTTP 请求后，在 60 秒内都没有再发起新的请求，定时器的时间一到，nginx 就会触发回调函数来关闭该连接，那么此时服务端上就会出现 TIME_WAIT 状态的连接。

第三个场景：HTTP 长连接的请求数量达到上限。

问题25：已经建立了连接，客户端突然出现故障了怎么办

服务端的 TCP 连接将一直处于 ESTABLISH 状态，占用着系统资源。为了避免这种情况，TCP 有一个保活机制。

定义一个时间段，在这个时间段内，如果没有任何连接相关的活动，TCP 保活机制会开始作用，每隔一个时间间隔，发送一个探测报文，该探测报文包含的数据非常少，如果连续几个探测报文都没有得到响应，则认为当前的 TCP 连接已经死亡，系统内核将错误信息通知给上层应用程序。

问题26：已经建立了连接，服务端的进程崩溃会发生什么

TCP 的连接信息是由内核维护的，所以当服务端的进程崩溃后，内核需要回收该进程的所有 TCP 连接资源，于是内核会发送第一次挥手 FIN 报文，后续的挥手过程也都是在内核完成，并不需要进程的参与，所以即使服务端的进程退出了，还是能与客户端完成 TCP 四次挥手的过程。

问题27：什么是SYN攻击？如何防御

SYN攻击是一种利用TCP协议缺陷进行的攻击，它通过发送大量的半连接请求来耗尽CPU和内存资源。SYN攻击属于DDoS攻击的一种，攻击者通常利用中病毒、木马的机器组织流量进行攻击。为了防御SYN攻击，可以采用多种方法，包括但不限于以下几种：

过滤网关防护：主要包括超时设置、SYN网关和SYN代理三种方法。其中，网关超时参数设置不宜过小也不宜过大，需根据网络应用环境来设置此参数。SYN网关使SYN网关连接数目增加，能够有效减轻攻击。SYN代理实际上代替了服务器去处理SYN攻击，此时要求过滤网关自身具有很强的防范SYN攻击能力。
加固TCP/IP协议栈：主要方法有SynAttackProtect保护机制、SYN cookies技术、增加最大半连接和缩短超时时间等。但tcp/ip协议栈的调整可能会引起某些功能的受限，管理员应该在进行充分了解和测试的前提下进行此项工作。
使用高防服务器：这是一种有效的防御手段，高防服务器或者接入高防产品可以进行防御。通常这些高防都有相对应的硬件防火墙可以有效抵抗市面上的SYN攻击，保障业务在遭遇攻击的同时还能有效的运行，不让客户遭受损失。
减少系统SYN等待时间：这只能缓解攻击。
对攻击源地址进行过滤拉黑：但是对于伪造精细的报文无效。
修改系统SYN-back-log上限：这只能缓解攻击。
将系统SYN的重发次数降低：这可以缓解攻击。
如果是linux系统，可以升级内核并设置SYN-cookies：这极大缓解攻击。

TCP 协议的例子

TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在Java中，可以使用java.net包中的Socket和ServerSocket类来实现TCP协议的客户端和服务端通信。以下是一个简单的Java TCP客户端和服务端的示例代码：

服务端代码：

import java.io.*;
import java.net.*;
 
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个ServerSocket对象，监听8080端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        System.out.println("服务器启动，等待客户端连接...");
 
        // 调用accept()方法等待客户端连接
        Socket socket = serverSocket.accept();
        System.out.println("客户端已连接，IP地址：" + socket.getInetAddress().getHostAddress());
 
        // 获取输入流，读取客户端发送的数据
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String msg = in.readLine();
        System.out.println("收到客户端消息：" + msg);
 
        // 获取输出流，向客户端发送数据
        PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        out.println("你好，客户端！");
 
        // 关闭资源
        out.close();
        in.close();
        socket.close();
        serverSocket.close();
    }
}

客户端代码：

import java.io.*;
import java.net.*;
 
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个Socket对象，连接到服务器
        Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
        System.out.println("客户端已启动，连接到服务器...");
 
        // 获取输出流，向服务器发送数据
        PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
        out.println("你好，服务器！");
 
        // 获取输入流，读取服务器发送的数据
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
        String msg = in.readLine();
        System.out.println("收到服务器消息：" + msg);
 
        // 关闭资源
        out.close();
        in.close();
        socket.close();
    }
}

结语

掌握TCP协议的相关知识对于网络工程师和IT从业者至关重要。本文列出的27个高频面试题旨在帮助求职者更好地准备面试，深入理解TCP协议的工作原理和关键特性。通过对这些问题的学习和思考，求职者不仅能够在面试中展现出自己的专业水平，还能够在实际工作中更加游刃有余地处理网络通信问题。