Golang面试之TCP/IP协议

引用

1. 关于TCP/IP的面试题
2. 计算机网络——OSI、TCP/IP协议族详解
3. 计算机网络【七】：可靠传输的实现
4. TCP/IP 协议及数据格式
5. UDP协议格式

协议

IP协议

1. IP协议格式

   
   IP协议格式

UDP协议

1. UDP的特点^[5]
   1. UDP 缺乏可靠性。UDP 本身不提供确认，序列号，超时重传等机制。UDP 数据报可能在网络中被复制，被重新排序。即 UDP 不保证数据报会到达其最终目的地，也不保证各个数据报的先后顺序，也不保证每个数据报只到达一次
   2. UDP 数据报是有长度的。每个 UDP 数据报都有长度，如果一个数据报正确地到达目的地，那么该数据报的长度将随数据一起传递给接收方。而 TCP 是一个字节流协议，没有任何（协议上的）记录边界。
   3. UDP 是无连接的。UDP 客户和服务器之前不必存在长期的关系。UDP 发送数据报之前也不需要经过握手创建连接的过程。
   4. UDP 支持多播和广播。
   5. UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
   6. UDP使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
   7. UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付IP层。UDP对应用层交下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。
   8. UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。很多的实时应用（如IP电话、实时视频会议等）要去源主机以恒定的速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据，但却不允许数据有太多的时延。UDP正好符合这种要求。
   9. UDP支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。
   10. UDP的首部开销小，只有8个字节，比TCP的20个字节的首部要短。

1. UDP协议格式

   
   UDP协议格式

• 源端口：
  套接字发送端端口号
• 目的端口：
  目的套接字端口号
• 数据包长：
  UDP报头+UDP数据报的长度
• 校验值：
  UDP报头+UDP数据报的校验值
• 数据

TCP协议

1. TCP的特性：

   1. TCP 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务；
   2. 在一个 TCP 连接中，仅有两方进行彼此通信，不具备广播和多播的功能；
   3. TCP 使用校验和、确认和重传机制来保证可靠传输；
   4. TCP 给数据分节进行排序，并使用累积确认保证数据的顺序不变和非重复；
   5. TCP 使用滑动窗口机制来实现流量控制，通过动态改变窗口的大小进行拥塞控制；

2. TCP协议格式^[4]
   

   TCP协议格式

• 源端口：
  发送数据端套接字的端口号
• 目的端口：
  目的套接字端口号
• 顺序号：
  该数据报第一个数据字节的序列号，用作标识该报文段序列号
• 应答号：
  存放的是发送方期望收到的数据段序号，算作是对收到报文的一个确认。ACK标志为 0 时，应答号部分无效(例如首个连接的[SYN]数据包)，ACK标志为1时应答号才有效
• TCP首部长度：
  标明TCP协议报头长度，单位是32bit即4个字节，其最小值为5（5 x 4 = 20 byte，这个长度是除去可选项的长度），从上图中看出，其规定头部长为 4 bit，所以最大值为 15， 15 x 4 = 60 byte可以算出可选项长度大为40个字节(60 byte - 20 byte = 40 byte)
• 保留位：
  保留字段长度为3位，必须全置为0
• 标记：

标志位简写	全写	含义
NS	Nonce	有效排除潜在的ECN滥用
CWR	Congestion Window Reduced	拥塞窗口减少标志
ECE	ECN-Echo	ECN标志
URG	Urgent	紧急指针有效性标志
ACK	Acknowledgment	确认序号有效性标志，一旦一个连接建立起来，该标志总被置为1
PSH	Push	Push标志（接收方应尽快将报文段提交至应用层）
RST	Reset	重置连接标志
SYN	Synchronization	同步序号标志(建立连接时候使用)
FIN	Fin	传输数据结束标志(断开连接时使用)

• 窗口：表示发送方还可以接受数据大小，防止对方发送数据大于自己的缓冲数据区，从应答字段的顺序号开始。
• 效验和：
  效验和覆盖整个TCP报文段，强制字段，由发送端计算存储，接收端进行验证
• 紧急指针：
  当Urgent标志置1时，紧急指针才有效
• 可选项：
  可选项可以有 0 到多个，可选项字段以第一个字节表明其类型，第二个字节表示该可选项的总长度，后面紧跟可选项的值(长度为可选项的总长度-2)。可选项字段可以从任何字节边界开始，但若最后选项长度不足的话，要填充以补足定义的数据段长度。

1. TCP重传机制
   超时重传和快速重传。
   - 超时重传
   当超时时间到达时，发送方还未收到对端的ACK确认，就重传该数据包。
   - 快速重传
   当后面的序号先到达，如接收方接收到了1、 3、 4，而2没有收到，接收方就会立即向发送方重复发送三次ACK=2的确认请求重传。如果发送方连续收到3个相同序号的ACK，就重传该数据包，而不用等待超时。

2. TCP窗口滑动以及拥塞控制
   TCP协议软件依靠滑动窗口机制解决传输效率和流量控制问题。

   1. TCP在进行数据传输时使用了滑动窗口机制
      TCP协议在工作时，如果发送端的TCP协议软件每传输一个数据分组后，必须等待接收端的确认才能够发送下一个分组，由于网络传输的时延，将有大量时间被用于等待确认，导致传输效率低下。为此TCP在进行数据传输时使用了滑动窗口机制。
   2. TCP滑动窗口用来暂存两台计算机间要传送的数据分组
      每台运行TCP协议的计算机有两个滑动窗口：一个用于数据发送，另一个用于数据接收。发送端待发数据分组在缓冲区排队等待送出。被滑动窗口框入的分组，是可以在未收到接收确认的情况下多送出的部分。滑动窗口左端标志X的分组，是已经被接收端确认收到的分组。随着新的确认到来，窗口不断向右滑动。

3. TCP与UDP的区别

   1. TCP是有连接的，两台主机在进行数据交互之前必须先通过三次握手建立连接；而UDP是无连接的，没有建立连接这个过程；
   2. TCP是可靠的传输，TCP协议通过确认和重传机制来保证数据传输的可靠性；而UDP是不可靠的传输；
   3. TCP还提供了拥塞控制、滑动窗口等机制来保证传输的质量，而UDP都没有
      TCP是基于字节流的，将数据看做无结构的字节流进行传输，当应用程序交给TCP的数据长度太长，超过MSS时，TCP就会对数据进行分段，因此TCP的数据是无边界的；而UDP是面向报文的，无论应用程序交给UDP层多长的报文，UDP都不会对数据报进行任何拆分等处理，因此UDP保留了应用层数据的边界。