理解UDP面向报文vsTCP面向字节流

UDP：当用户消息通过 UDP 协议传输时，操作系统不会对消息进行拆分，在组装好 UDP 头部后就交给网络层来处理，所以发出去的 UDP 报文中的数据部分就是完整的用户消息，也就是每个 UDP 报文就是一个用户消息的边界，这样接收方在接收到 UDP 报文后，读一个 UDP 报文就能读取到完整的用户消息。操作系统在收到 UDP 报文后，会将其插入到队列里，队列里的每一个元素就是一个 UDP 报文，这样当用户调用 recvfrom() 系统调用读数据的时候，就会从队列里取出一个数据，然后从内核里拷贝给用户缓冲区。

**TCP：**当用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统分组成多个的 TCP 报文，也就是一个完整的用户消息被拆分成多个 TCP 报文进行传输。

这时，接收方的程序如果不知道发送方发送的消息的长度，也就是不知道消息的边界时，是无法读出一个有效的用户消息的，因为用户消息被拆分成多个 TCP 报文后，并不能像 UDP 那样，一个 UDP 报文就能代表一个完整的用户消息。⇒粘包问题：固定长度消息（很少用，不灵活）、特殊字符作为边界（比如HTTP的回车换行）；自定义消息结构体

已经建立连接的TCP收到SYN会发生？

处于 Established 状态的服务端，如果收到了客户端的 SYN 报文（注意此时的 SYN 报文其实是乱序的，因为 SYN 报文的初始化序列号其实是一个随机数），会回复一个携带了正确序列号和确认号的 ACK 报文，这个 ACK 被称之为 Challenge ACK。

接着，客户端收到这个 Challenge ACK，发现确认号（ack num）并不是自己期望收到的，于是就会回 RST 报文，服务端收到后，就会释放掉该连接。

关闭TCP连接

要伪造一个能关闭 TCP 连接的 RST 报文，必须同时满足「四元组相同」和「序列号是对方期望的」这两个条件

如果处于 Established 状态的服务端，收到四元组相同的 SYN 报文后，会回复一个 Challenge ACK，这个 ACK 报文里的「确认号」，正好是服务端下一次想要接收的序列号，说白了，就是可以通过这一步拿到服务端下一次预期接收的序列号。

然后用这个确认号作为 RST 报文的序列号，发送给服务端，此时服务端会认为这个 RST 报文里的序列号是合法的，于是就会释放连接！

四次挥手收到乱序FIN包？

在 FIN_WAIT_2 状态时，如果收到乱序的 FIN 报文，那么就被会加入到「乱序队列」，并不会进入到 TIME_WAIT 状态。

等再次收到前面被网络延迟的数据包时，会判断乱序队列有没有数据，然后会检测乱序队列中是否有可用的数据，如果能在乱序队列中找到与当前报文的序列号保持的顺序的报文，就会看该报文是否有 FIN 标志，如果发现有 FIN 标志，这时才会进入 TIME_WAIT 状态。

在 TCP 正常挥手过程中，处于 TIME_WAIT 状态的连接，收到相同四元组的 SYN 后会发生什么？

关键是要看 SYN 的「序列号和时间戳」是否合法，因为处于 TIME_WAIT 状态的连接收到 SYN 后，会判断 SYN 的「序列号和时间戳」是否合法，然后根据判断结果的不同做不同的处理。

先跟大家说明下， 什么是「合法」的 SYN？

• 合法 SYN：客户端的 SYN 的「序列号」比服务端「期望下一个收到的序列号」要大，并且 SYN 的「时间戳」比服务端「最后收到的报文的时间戳」要大。
• 非法 SYN：客户端的 SYN 的「序列号」比服务端「期望下一个收到的序列号」要小，或者 SYN 的「时间戳」比服务端「最后收到的报文的时间戳」要小。

上面 SYN 合法判断是基于双方都开启了 TCP 时间戳机制的场景，如果双方都没有开启 TCP 时间戳机制，则 SYN 合法判断如下：

• 合法 SYN：客户端的 SYN 的「序列号」比服务端「期望下一个收到的序列号」要大。
• 非法 SYN：客户端的 SYN 的「序列号」比服务端「期望下一个收到的序列号」要小。

如果处于 TIME_WAIT 状态的连接收到「合法的 SYN 」后，就会重用此四元组连接，跳过 2MSL 而转变为 SYN_RECV 状态，接着就能进行建立连接过程。

宕机vs进程崩溃

如果「客户端进程崩溃」，客户端的进程在发生崩溃的时候，内核会发送 FIN 报文，与服务端进行四次挥手。

但是，「客户端主机宕机」，那么是不会发生四次挥手的，具体后续会发生什么？还要看服务端会不会发送数据？

• 如果服务端会发送数据，由于客户端已经不存在，收不到数据报文的响应报文，服务端的数据报文会超时重传，当重传总间隔时长达到一定阈值（内核会根据 tcp_retries2 设置的值计算出一个阈值）后，会断开 TCP 连接；
• 如果服务端一直不会发送数据，再看服务端有没有开启 TCP keepalive 机制？
  • 如果有开启，服务端在一段时间没有进行数据交互时，会触发 TCP keepalive 机制，探测对方是否存在，如果探测到对方已经消亡，则会断开自身的 TCP 连接；
  • 如果没有开启，服务端的 TCP 连接会一直存在，并且一直保持在 ESTABLISHED 状态。

开启 tcp_tw_reuse 风险

因为快速复用 TIME_WAIT 状态的端口，导致新连接可能被回绕序列号的 RST 报文断开了，而如果不跳过 TIME_WAIT 状态，而是停留 2MSL 时长，那么这个 RST 报文就不会出现下一个新的连接。

如果第四次挥手的 ACK 报文丢失了，有可能被动关闭连接的一方不能被正常的关闭;

TCP keep-alive vs HTTP keep-alive

• HTTP 的 Keep-Alive，是由应用层（用户态） 实现的，称为 HTTP 长连接；
• TCP 的 Keepalive，是由 TCP 层（内核态） 实现的，称为 TCP 保活机制；

HTTP 的 Keep-Alive 也叫 HTTP 长连接，该功能是由「应用程序」实现的，可以使得用同一个 TCP 连接来发送和接收多个 HTTP 请求/应答，减少了 HTTP 短连接带来的多次 TCP 连接建立和释放的开销。

TCP 的 Keepalive 也叫 TCP 保活机制，该功能是由「内核」实现的，当客户端和服务端长达一定时间没有进行数据交互时，内核为了确保该连接是否还有效，就会发送探测报文，来检测对方是否还在线，然后来决定是否要关闭该连接。

QUIC

QUIC 也是需要三次握手来建立连接的，主要目的是为了协商连接 ID。协商出连接 ID 后，后续传输时，双方只需要固定住连接 ID，从而实现连接迁移功能。

QUIC 报文中的 Pakcet Number 是严格递增的， 即使是重传报文，它的 Pakcet Number 也是递增的，这样就能更加精确计算出报文的 RTT。

QUIC 使用的 Packet Number 单调递增的设计，可以让数据包不再像 TCP 那样必须有序确认，QUIC 支持乱序确认，当数据包Packet N 丢失后，只要有新的已接收数据包确认，当前窗口就会继续向右滑动；QUIC 通过单向递增的 Packet Number，配合 Stream ID 与 Offset 字段信息，可以支持乱序确认而不影响数据包的正确组装

**解决队头阻塞问题：QUIC 也借鉴 HTTP/2 里的 Stream 的概念，在一条 QUIC 连接上可以并发发送多个 HTTP 请求。**但是 QUIC 给每一个 Stream 都分配了一个独立的滑动窗口，这样使得一个连接上的多个 Stream 之间没有依赖关系，都是相互独立的，各自控制的滑动窗口。（因为是UDP协议可以UDP到达应用层直接从其它stream取）

QUIC 实现了两种级别的流量控制，分别为 Stream 和 Connection 两种级别：

• Stream 级别的流量控制：Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求，每个 Stream 都有独立的滑动窗口，所以每个 Stream 都可以做流量控制，防止单个 Stream 消耗连接（Connection）的全部接收缓冲。
• Connection 流量控制：限制连接中所有 Stream 相加起来的总字节数，防止发送方超过连接的缓冲容量。

QUIC 协议当前默认使用了 TCP 的 Cubic 拥塞控制算法（我们熟知的慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复策略），同时也支持 CubicBytes、Reno、RenoBytes、BBR、PCC 等拥塞控制算法，相当于将 TCP 的拥塞控制算法照搬过来了。

HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，甚至在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。

TCP自连接: 没有listen也可以连接

在 TCP 自连接的情况中，客户端在 connect 方法时，最后会将自己的连接信息放入到这个全局 hash 表中，然后将信息发出，消息在经过回环地址重新回到 TCP 传输层的时候，就会根据 IP + 端口信息，再一次从这个全局 hash 中取出信息。于是握手包一来一回，最后成功建立连接。

没有 accept，能建立 TCP 连接吗？

**就算不执行accept()方法，三次握手照常进行，并顺利建立连接。并且在服务端执行accept()前，如果客户端发送消息给服务端，服务端是能够正常回复ack确认包的。**并且，sleep(20)结束后，服务端正常执行accept()，客户端前面发送的消息，还是能正常收到的。

因为TCP连接建立连接的过程中根本不需要accept()参与， 执行accept()只是为了从全连接队列里取出一条连接。

• 半连接队列（SYN队列），服务端收到第一次握手后，会将sock加入到这个队列中，队列内的sock都处于SYN_RECV 状态。
• 全连接队列（ACCEPT队列），在服务端收到第三次握手后，会将半连接队列的sock取出，放到全连接队列中。队列里的sock都处于 ESTABLISHED状态。这里面的连接，就等着服务端执行accept()后被取出了。

全连接队列（icsk_accept_queue）是个链表，而半连接队列（syn_table）是个哈希表

链表是因为accept后随便取走 O(1)，如果半连接队列也是链表 需要查询 如果是链表那就是O(N)复杂度，设计成哈希表成为O(1)

如果全链接队列满了，服务端还收到客户端的第三次握手ACK，默认当然会丢弃这个ACK。

• 每一个socket执行listen时，内核都会自动创建一个半连接队列和全连接队列。
• 第三次握手前，TCP连接会放在半连接队列中，直到第三次握手到来，才会被放到全连接队列中。
• accept方法只是为了从全连接队列中拿出一条连接，本身跟三次握手几乎毫无关系。
• 出于效率考虑，虽然都叫队列，但半连接队列其实被设计成了哈希表，而全连接队列本质是链表。
• 全连接队列满了，再来第三次握手也会丢弃，此时如果tcp_abort_on_overflow=1，还会直接发RST给客户端。
• 半连接队列满了，可能是因为受到了SYN Flood攻击，可以设置tcp_syncookies，绕开半连接队列。
• 客户端没有半连接队列和全连接队列，但有一个全局hash，可以通过它实现自连接或TCP同时打开。

数据包的发送过程

一个数据包，从聊天框里发出，消息会从聊天软件所在的用户空间拷贝到内核空间的发送缓冲区（send buffer），数据包就这样顺着传输层、网络层，进入到数据链路层，在这里数据包会经过流控（qdisc），再通过RingBuffer发到物理层的网卡。数据就这样顺着网卡发到了纷繁复杂的网络世界里。这里头数据会经过n多个路由器和交换机之间的跳转，最后到达目的机器的网卡处。

此时目的机器的网卡会通知DMA将数据包信息放到RingBuffer中，再触发一个硬中断给CPU，CPU触发软中断让ksoftirqd去RingBuffer收包，于是一个数据包就这样顺着物理层，数据链路层，网络层，传输层，最后从内核空间拷贝到用户空间里的聊天软件里。

什么情况会出现三次挥手？

当被动关闭方在 TCP 挥手过程中，「没有数据要发送」并且「开启了 TCP 延迟确认机制」，那么第二和第三次挥手就会合并传输，这样就出现了三次挥手。

TCP 延迟确认的策略：

• 当有响应数据要发送时，ACK 会随着响应数据一起立刻发送给对方
• 当没有响应数据要发送时，ACK 将会延迟一段时间，以等待是否有响应数据可以一起发送
• 如果在延迟等待发送 ACK 期间，对方的第二个数据报文又到达了，这时就会立刻发送 ACK

TCP序列号和确认号机制

发送的 TCP 报文：

• 公式一：序列号 = 上一次发送的序列号 + len（数据长度）。特殊情况，如果上一次发送的报文是 SYN 报文或者 FIN 报文，则改为 上一次发送的序列号 + 1。
• 公式二：确认号 = 上一次收到的报文中的序列号 + len（数据长度）。特殊情况，如果收到的是 SYN 报文或者 FIN 报文，则改为上一次收到的报文中的序列号 + 1。