Java面试之TCP与UDP

1、为什么会有TCP/IP协议

在世界上各地，各种各样的电脑运行着各自不同的操作系统为大家服务，这些电脑在表达同一种信息的时候所使用的方法是千差万别。就好像圣经中上帝打乱了各地人的口音，让他们无法合作一样。计算机使用者意识到，计算机只是单兵作战并不会发挥太大的作用。只有把它们联合起来，电脑才会发挥出它最大的潜力。于是人们就想方设法的用电线把电脑连接到了一起。

但是简单的连到一起是远远不够的，就好像语言不同的两个人互相见了面，完全不能交流信息。因而他们需要定义一些共通的东西来进行交流，TCP/IP就是为此而生。TCP/IP不是一个协议，而是一个协议族的统称。里面包括了IP协议，IMCP协议，TCP协议，以及我们更加熟悉的http、ftp、pop3协议等等。电脑有了这些，就好像学会了外语一样，就可以和其他的计算机终端做*的交流了。

 

2、TCP/IP协议分层

1、应用层

应用层是我们经常接触使用的部分，比如常用的http协议、ftp协议（文件传输协议）、snmp（网络管理协议）、telnet （远程登录协议 ）、smtp（简单邮件传输协议）、dns（域名解析），这次主要是面向用户的交互的。这里的应用层集成了osi分层模型中 的应用、会话、表示层三层的功能。

2、传输层

传输层的作用就是将应用层的数据进行传输转运。比如我们常说的tcp（可靠的传输控制协议）、udp（用户数据报协议）。传输单位为报文段。

tcp（Transmission Control Protocol）面向连接（先要和对方确定连接、传输结束需要断开连接，类似打电话）、复杂可靠的、有很好的重传和查错机制。一般用与高速、可靠的通信服务

udp（user datagram protocol面向无连接（无需确认对方是否存在，类似寄包裹）、简单高效、没有重传机制。一般用于即时通讯、广播通信等

3、网络层

网络层用来处理网络中流动的数据包，数据包为最小的传递单位，比如我们常用的ip协议、icmp协议、arp协议（通过分析ip地址得出物理mac地址）。

4、数据链路层

数据链路层一般用来处理连接硬件的部分，包括控制网卡、硬件相关的设备驱动等。传输单位数据帧。

5、物理层

物理层一般为负责数据传输的硬件，比如我们了解的双绞线电缆、无线、光纤等。比特流光电等信号发送接收数据。

 

3、TCP报文格式

16位源端口号：16位的源端口中包含初始化通信的端口。源端口和源IP地址的作用是标识报文的返回地址。

 

 

16位目的端口号：16位的目的端口域定义传输的目的。这个端口指明报文接收计算机上的应用程序地址接口。

32位序号：32位的序列号由接收端计算机使用，重新分段的报文成最初形式。当SYN出现，序列码实际上是初始序列码（Initial Sequence Number，ISN），而第一个数据字节是ISN+1。这个序列号（序列码）可用来补偿传输中的不一致。

32位确认序号：32位的序列号由接收端计算机使用，重组分段的报文成最初形式。如果设置了ACK控制位，这个值表示一个准备接收的包的序列码。

4位首部长度：4位包括TCP头大小，指示何处数据开始。

保留（6位）：6位值域，这些位必须是0。为了将来定义新的用途而保留。

标志：6位标志域。表示为：紧急标志、有意义的应答标志、推、重置连接标志、同步序列号标志、完成发送数据标志。按照顺序排列是：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。

16位窗口大小：用来表示想收到的每个TCP数据段的大小。TCP的流量控制由连接的每一端通过声明的窗口大小来提供。窗口大小为字节数，起始于确认序号字段指明的值，这个值是接收端正期望接收的字节。窗口大小是一个16字节字段，因而窗口大小最大为65535字节。

16位校验和：16位TCP头。源机器基于数据内容计算一个数值，收信息机要与源机器数值 结果完全一样，从而证明数据的有效性。检验和覆盖了整个的TCP报文段：这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由接收端进行验证的。

16位紧急指针：指向后面是优先数据的字节，在URG标志设置了时才有效。如果URG标志没有被设置，紧急域作为填充。加快处理标示为紧急的数据段。

选项：长度不定，但长度必须为1个字节。如果没有选项就表示这个1字节的域等于0。

数据：该TCP协议包负载的数据。

在上述字段中，6位标志域的各个选项功能如下。

URG：紧急标志。紧急标志为"1"表明该位有效。

ACK：确认标志。表明确认编号栏有效。大多数情况下该标志位是置位的。TCP报头内的确认编号栏内包含的确认编号（w+1）为下一个预期的序列编号，同时提示远端系统已经成功接收所有数据。

PSH：推标志。该标志置位时，接收端不将该数据进行队列处理，而是尽可能快地将数据转由应用处理。在处理Telnet或rlogin等交互模式的连接时，该标志总是置位的。

RST：复位标志。用于复位相应的TCP连接。

SYN：同步标志。表明同步序列编号栏有效。该标志仅在三次握手建立TCP连接时有效。它提示TCP连接的服务端检查序列编号，该序列编号为TCP连接初始端（一般是客户端）的初始序列编号。在这里，可以把TCP序列编号看作是一个范围从0到4，294，967，295的32位计数器。通过TCP连接交换的数据中每一个字节都经过序列编号。在TCP报头中的序列编号栏包括了TCP分段中第一个字节的序列编号。

FIN：结束标志。

 

4、TCP三次握手

所谓三次握手（Three-Way Handshake）即建立TCP连接，就是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送3个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发，整个流程如下图所示：

 

（1）第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

（2）第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

（3）第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

简单来说，就是

1、建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=i）到服务器，并进入到SYN-SEND状态，等待服务器确认

2、服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack=i+1）,同时自己也发送一个SYN包（SYN=k）,即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN-RECV状态

3、客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认报ACK（ack=k+1）,此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据。

 

SYN攻击：

在三次握手过程中，Server发送SYN-ACK之后，收到Client的ACK之前的TCP连接称为半连接（half-open connect），此时Server处于SYN_RCVD状态，当收到ACK后，Server转入ESTABLISHED状态。SYN攻击就是Client在短时间内伪造大量不存在的IP地址，并向Server不断地发送SYN包，Server回复确认包，并等待Client的确认，由于源地址是不存在的，因此，Server需要不断重发直至超时，这些伪造的SYN包将产时间占用未连接队列，导致正常的SYN请求因为队列满而被丢弃，从而引起网络堵塞甚至系统瘫痪。SYN攻击时一种典型的DDOS攻击，检测SYN攻击的方式非常简单，即当Server上有大量半连接状态且源IP地址是随机的，则可以断定遭到SYN攻击了，使用如下命令可以让之现行：

#netstat -nap | grep SYN_RECV

 

5、TCP四次挥手

所谓四次挥手（Four-Way Wavehand）即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发，整个流程如下图所示：

 

由于TCP连接时全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭，上图描述的即是如此。

（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。

（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。

（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。

（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

为什么建立连接是三次握手，而关闭连接却是四次挥手呢？

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

为什么TIME_WAIT状态需要经过2MSL(最大报文段生存时间)才能返回到CLOSE状态？

原因有二：

一、保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭

二、保证这次连接的重复数据段从网络中消失

先说第一点，如果Client直接CLOSED了，那么由于IP协议的不可靠性或者是其它网络原因，导致Server没有收到Client最后回复的ACK。那么Server就会在超时之后继续发送FIN，此时由于Client已经CLOSED了，就找不到与重发的FIN对应的连接，最后Server就会收到RST而不是ACK，Server就会以为是连接错误把问题报告给高层。这样的情况虽然不会造成数据丢失，但是却导致TCP协议不符合可靠连接的要求。所以，Client不是直接进入CLOSED，而是要保持TIME_WAIT，当再次收到FIN的时候，能够保证对方收到ACK，最后正确的关闭连接。

再说第二点，如果Client直接CLOSED，然后又再向Server发起一个新连接，我们不能保证这个新连接与刚关闭的连接的端口号是不同的。也就是说有可能新连接和老连接的端口号是相同的。一般来说不会发生什么问题，但是还是有特殊情况出现：假设新连接和已经关闭的老连接端口号是一样的，如果前一次连接的某些数据仍然滞留在网络中，这些延迟数据在建立新连接之后才到达Server，由于新连接和老连接的端口号是一样的，又因为TCP协议判断不同连接的依据是socket pair，于是，TCP协议就认为那个延迟的数据是属于新连接的，这样就和真正的新连接的数据包发生混淆了。所以TCP连接还要在TIME_WAIT状态等待2倍MSL，这样可以保证本次连接的所有数据都从网络中消失。

 

6、T C P通过下列方式来提供可靠性

1、• 应用数据被分割成T C P认为最适合发送的数据块。这和U D P完全不同，应用程序产生的

数据报长度将保持不变。由T C P传递给I P的信息单位称为报文段或段（ s e g m e n t）（参见

图1 - 7）。在1 8 . 4节我们将看到T C P如何确定报文段的长度。

2、• 当T C P发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能

及时收到一个确认，将重发这个报文段。在第2 1章我们将了解T C P协议中自适应的超时

及重传策略。

3、• 当T C P收到发自T C P连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，

通常将推迟几分之一秒，这将在1 9 . 3节讨论。

4、• T C P将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输

过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， T C P将丢弃这个报文段和不确认收到

此报文段（希望发端超时并重发）。

5、• 既然T C P报文段作为I P数据报来传输，而I P数据报的到达可能会失序，因此T C P报文段

的到达也可能会失序。如果必要， T C P将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

6、• 既然I P数据报会发生重复， T C P的接收端必须丢弃重复的数据。

7、• T C P还能提供流量控制。T C P连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。T C P的接收端只

允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

两个应用程序通过T C P连接交换8 bit字节构成的字节流。T C P不在字节流中插入记录标识

符。我们将这称为字节流服务（ byte stream service）。如果一方的应用程序先传1 0字节，又传

2 0字节，再传5 0字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接

收这8 0个字节，每次接收2 0字节。一端将字节流放到T C P连接上，同样的字节流将出现在

T C P连接的另一端。

另外，T C P对字节流的内容不作任何解释。T C P不知道传输的数据字节流是二进制数据，

还是A S C I I字符、E B C D I C字符或者其他类型数据。对字节流的解释由T C P连接双方的应用层

解释。

 

 

• 应用数据被分割成T C P认为最适合发送的数据块。这和U D P完全不同，应用程序产生的

数据报长度将保持不变。由T C P传递给I P的信息单位称为报文段或段（ s e g m e n t）

•T C P协议中自适应的超时及重传策略： 当T C P发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能

及时收到一个确认，将重发这个报文段。

• 当T C P收到发自T C P连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，

通常将推迟几分之一秒。

• T C P将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输

过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错， T C P将丢弃这个报文段和不确认收到

此报文段（希望发端超时并重发）。

• 既然T C P报文段作为I P数据报来传输，而I P数据报的到达可能会失序，因此T C P报文段

的到达也可能会失序。如果必要， T C P将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。

• 既然I P数据报会发生重复， T C P的接收端必须丢弃重复的数据。

• T C P还能提供流量控制：T C P连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。T C P的接收端只

允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出。

两个应用程序通过T C P连接交换8 bit字节构成的字节流。T C P不在字节流中插入记录标识符。我们将这称为字节流服务（ byte stream service）。如果一方的应用程序先传1 0字节，又传2 0字节，再传5 0字节，连接的另一方将无法了解发方每次发送了多少字节。收方可以分4次接收这8 0个字节，每次接收2 0字节。一端将字节流放到T C P连接上，同样的字节流将出现在T C P连接的另一端。另外，T C P对字节流的内容不作任何解释。T C P不知道传输的数据字节流是二进制数据，还是A S C I I字符、E B C D I C字符或者其他类型数据。对字节流的解释由T C P连接双方的应用层解释。

这种对字节流的处理方式与U n i x操作系统对文件的处理方式很相似。U n i x的内核对一个应用读或写的内容不作任何解释，而是交给应用程序处理。对U n i x的内核来说，它无法区分一个二进制文件与一个文本文件。

 

7、URI和URL的区别

URI，是uniform resource identifier，统一资源标识符，用来唯一的标识一个资源。Web上可用的每种资源如HTML文档、图像、视频片段、程序等都是一个来URI来定位的

URI一般由三部组成：

1. 访问资源的命名机制
2. 存放资源的主机名
3. 资源自身的名称，由路径表示，着重强调于资源。

URL是uniform resource locator，统一资源定位器，它是一种具体的URI，即URL可以用来标识一个资源，而且还指明了如何locate这个资源。URL是Internet上用来描述信息资源的字符串，主要用在各种WWW客户程序和服务器程序上，特别是著名的Mosaic。采用URL可以用一种统一的格式来描述各种信息资源，包括文件、服务器的地址和目录等。

URL一般由三部组成：

1. 协议(或称为服务方式)
2. 存有该资源的主机IP地址(有时也包括端口号)
3. 主机资源的具体地址。如目录和文件名等

 

 

8、dns使用的协议

既可以使用TCP又使用UDP

TCP与UDP传送字节的长度限制：UDP报文的最大长度为512字节，而TCP则允许报文长度超过512字节。当DNS查询超过512字节时，协议的TC标志出现删除标志，这时则使用TCP发送。通常传统的UDP报文一般不会大于512字节。

区域传送时使用TCP，主要有一下两点考虑：

1、辅域名服务器会定时（一般时3小时）向主域名服务器进行查询以便了解数据是否有变动。如有变动，则会执行一次区域传送，进行数据同步。区域传送将使用TCP而不是UDP，因为数据同步传送的数据量比一个请求和应答的数据量要多得多。

2、TCP是一种可靠的连接，保证了数据的准确性。

域名解析时使用UDP协议

客户端向DNS服务器查询域名，一般返回的内容都不超过512字节，用UDP传输即可。不用经过TCP三次握手，这样DNS服务器负载更低，响应更快。虽然从理论上说，客户端也可以指定向DNS服务器查询的时候使用TCP，但事实上，很多DNS服务器进行配置的时候，仅支持UDP查询包。

 

9、TCP粘包和拆包产生的原因

应用程序写入数据的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小

进行MSS大小的TCP分段。MSS是最大报文段长度的缩写。MSS是TCP报文段中的数据字段的最大长度。数据字段加上TCP首部才等于整个的TCP报文段。所以MSS并不是TCP报文段的最大长度，而是：MSS=TCP报文段长度-TCP首部长度

以太网的payload大于MTU进行IP分片。MTU指：一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小。如果IP层有一个数据包要传，而且数据的长度比链路层的MTU大，那么IP层就会进行分片，把数据包分成托干片，让每一片都不超过MTU。注意，IP分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

 

10、TCP粘包和拆包的解决策略

• 消息定长。例如100字节。
• 在包尾部增加回车或者空格符等特殊字符进行分割，典型的如FTP协议
• 将消息分为消息头和消息尾。
• 其它复杂的协议，如RTMP协议等。

 

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_34988624/article/details/85856848