测试需知的TCP3次握手、4次挥手及10道经典面试题

网络的五层划分

我们先复习一下大学计算机老师讲过的网络五层划分:
  • 应用层,常见协议: HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), FTP(文件传输协议) DNS(域名解析协议)
  • 传输层,常见协议: TCP(传输控制协议) UDP(用户数据报协议)
  • 网络层,常见协议:IP
  • 数据链路层
  • 物理层

1.接下来,我们先了解一下TCP:

(1)TCP 是一种面向连接的单播协议,在发送数据前,通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的“连接”,其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息,如 IP 地址、端口号等。因此TCP是一种可靠的的运输服务,但是正因为这样,不可避免的增加了许多的开销,比如确认,流量控制等,对应的应用层的协议主要有 SMTP,TELNET,HTTP,FTP 等。

(2)TCP 可以看成是一种字节流,它会处理 IP 层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中,双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在 TCP 头部,TCP 提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务:

采用三次握手建立一个连接;

采用四次挥手来关闭一个连接。

2.再来说说UDP:

UDP,在传送数据前不需要先建立连接,远地的主机在收到UDP报文后也不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠交付,但是正是因为这样,省去和很多的开销,使得它的速度比较快,比如一些对实时性要求较高的服务,就常常使用的是UDP。对应的应用层的协议主要有 DNS,TFTP,DHCP,SNMP,NFS 等。

常用的端口

应用

ftp

tftp

telnet

smtp

dns

http

ssh

mysql

端口

21/20

69

23

25

53

80

22

3306

协议

tcp

udp

tcp

tcp

udp

tcp

tcp

tcp

TCP报文

我们具体来认识 TCP 的报文格式,下面是 TCP 报文格式图:
上图中有几个字段需要重点介绍下:
  • 序号 Seq序号,占32位,用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流,发起方发送数据时对此进行标记。
  • 确认序号 Ack序号,占32位,只有ACK标志位为1时,确认序号字段才有效,Ack=Seq+1。
  • 标志位 共6个,即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等,具体含义如下:
(A)URG:紧急指针(urgent pointer)有效。
(B)ACK:确认序号有效。
(C)PSH:接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
(D)RST:重置连接。
(E)SYN:发起一个新连接。
(F)FIN:释放一个连接。

需要注意的是: 1.不要将确认序号Ack与标志位中的ACK搞混了。 2.确认方Ack=发起方Req+1,两端配对

3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:

TCP运输连接的三个阶段:

连接建立

数据传送

连接释放

(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。

(4)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

4次挥手

其实三次握手大家都耳熟能详,四次挥手估计就少有人知道了。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。

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。

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。

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。

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。

上面是一方主动关闭,另一方被动关闭的情况,实际中还会出现同时发起主动关闭的情况。

四次挥手补充:

a. 默认情况下(不改变socket选项),当你调用close( or closesocket,以下说close不再重复)时,如果发送缓冲中还有数据,TCP会继续把数据发送完。

b. 发送了FIN只是表示这端不能继续发送数据(应用层不能再调用send发送),但是还可以接收数据。

c. 应用层如何知道对端关闭?通常,在最简单的阻塞模型中,当你调用recv时,如果返回0,则表示对端关闭。在这个时候通常的做法就是也调用close,那么TCP层就发送FIN,继续完成四次握手。如果你不调用close,那么对端就会处于FIN_WAIT_2状态,而本端则会处于CLOSE_WAIT状态。这个可以写代码试试。

d. 在很多时候,TCP连接的断开都会由TCP层自动进行,例如你CTRL+C终止你的程序,TCP连接依然会正常关闭,你可以写代码试试。

10道常见面试题

(1) 三次握手是什么或者流程?四次握手呢?

具体解析coco小锦鲤已经在前面介绍了,自己组织语言精简的表述出来就好了。

(2) 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。

(3) 为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态?

1.可靠的实现TCP全双工链接的终止。

这是因为虽然双方都同意关闭连接了,而且握手的4个报文也都协调和发送完毕,按理可以直接回到CLOSED状态(就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样);但是因为我们必须要假想网络是不可靠的,你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到,因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文,而重发FIN报文,所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

2.允许老的重复的分节在网络中消逝。

假设在12.106.32.254的1500端口和206.168.1.112.219的21端口之间有一个TCP连接。我们关闭这个链接,过一段时间后在 相同的IP地址和端口建立另一个连接。后一个链接成为前一个的化身。因为它们的IP地址和端口号都相同。TCP必须防止来自某一个连接的老的重复分组在连 接已经终止后再现,从而被误解成属于同一链接的某一个某一个新的化身。为做到这一点,TCP将不给处于TIME_WAIT状态的链接发起新的化身。既然 TIME_WAIT状态的持续时间是MSL的2倍,这就足以让某个方向上的分组最多存活msl秒即被丢弃,另一个方向上的应答最多存活msl秒也被丢弃。通过实施这个规则,我们就能保证每成功建立一个TCP连接时。来自该链接先前化身的重复分组都已经在网络中消逝了。

(4) 为什么不能用两次握手进行连接?

我们知道,3次握手完成两个重要的功能,既要双方做好发送数据的准备工作(双方都知道彼此已准备好),也要允许双方就初始序列号进行协商,这个序列号在握手过程中被发送和确认。

现在把三次握手改成仅需要两次握手,死锁是可能发生的。作为例子,考虑计算机S和C之间的通信,假定C给S发送一个连接请求分组,S收到了这个分组,并发 送了确认应答分组。按照两次握手的协定,S认为连接已经成功地建立了,可以开始发送数据分组。可是,C在S的应答分组在传输中被丢失的情况下,将不知道S 是否已准备好,不知道S建立什么样的序列号,C甚至怀疑S是否收到自己的连接请求分组。在这种情况下,C认为连接还未建立成功,将忽略S发来的任何数据分 组,只等待连接确认应答分组。而S在发出的分组超时后,重复发送同样的分组。这样就形成了死锁。

(5) TCP协议和UDP协议的区别是什么?

  • TCP协议是有连接的,有连接的意思是开始传输实际数据之前TCP的客户端和服务器端必须通过三次握手建立连接,会话结束之后也要结束连接。而UDP是无连接的
  • TCP协议保证数据按序发送,按序到达,提供超时重传来保证可靠性,但是UDP不保证按序到达,甚至不保证到达,只是努力交付,即便是按序发送的序列,也不保证按序送到。
  • TCP协议所需资源多,TCP首部需20个字节(不算可选项),UDP首部字段只需8个字节。
  • TCP有流量控制和拥塞控制,UDP没有,网络拥堵不会影响发送端的发送速率
  • TCP是一对一的连接,而UDP则可以支持一对一,多对多,一对多的通信。
  • TCP面向的是字节流的服务,UDP面向的是报文的服务。

(6) 三次握手建立连接时,发送方再次发送确认的必要性?

主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传到了B,因而产生错误。假定出现一种异常情况,即A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失,而是在某些网络结 点长时间滞留了,一直延迟到连接释放以后的某个时间才到达B,本来这是一个早已失效的报文段。但B收到此失效的连接请求报文段后,就误认为是A又发出一次 新的连接请求,于是就向A发出确认报文段,同意建立连接。假定不采用三次握手,那么只要B发出确认,新的连接就建立了,这样一直等待A发来数据,B的许多资源就这样白白浪费了。

(7) 四次挥手释放连接时,等待2MSL的意义?

1.为了保证A发送的最有一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失,因而使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN和ACK 报文段的确认。B会超时重传这个FIN和ACK报文段,而A就能在2MSL时间内收到这个重传的ACK+FIN报文段。接着A重传一次确认。

2.就是防止上面提到的已失效的连接请求报文段出现在本连接中,A在发送完最有一个ACK报文段后,再经过2MSL,就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失。

(8) 常见的应用中有哪些是应用TCP协议的,哪些又是应用UDP协议的,为什么它们被如此设计?

1.多播的信息一定要用udp实现,因为tcp只支持一对一通信。

2.如果一个应用场景中大多是简短的信息,适合用udp实现,因为udp是基于报文段的,它直接对上层应用的数据封装成报文段,然后丢在网络中,如果信息量太大,会在链路层中被分片,影响传输效率。

3.如果一个应用场景重性能甚于重完整性和安全性,那么适合于udp,比如多媒体应用,缺一两帧不影响用户体验,但是需要流媒体到达的速度快,因此比较适合用udp

4.如果要求快速响应,那么udp听起来比较合适

5.如果又要利用udp的快速响应优点,又想可靠传输,那么只能考上层应用自己制定规则了。

6.常见的使用udp的例子:ICQ,QQ的聊天模块。

(9) HTTP 请求响应常见状态码有哪些?

1.100~199:表示成功接收请求,要求客户端继续提交下一欠请求才能完成整个处理过程;

2.200~299:表示成功接收请求并已完成整个处理过程(常用200);

3.300~399:为完成请求,客户需进一步细化请求;

例如:请求的资源已经移动一个新地址、常用302 (意味着你请求我,我让你去找别人) ;

307和304 (我不给你这个资源,自己拿缓存);

4. 400~499:客户端的请求有错误;

例如:404 (意味着你请求的资源在web服务器中没有);

403 (服务器拒绝访问,权限不够);

5.500~599:服务器端出现错误,常用500;

(10) 你知道哪些常见的端口及用途?

1.代理服务器常用以下端口:

(1).HTTP协议代理服务器常用端口号: 80/8080/3128/8081/9080

(2).SOCKS代理协议服务器常用端口号: 1080

(3).FTP (文件传输)协议代理服务器常用端口号: 21

(4).Telnet (远程登录)协议代理服务器常用端口: 23

2.HTTP服务器,默认的端口号为80/tcp (木马Executor开放此端口);

HTTPS (安全传输网页)服务器,默认端口号为443/tcp 443/udp;

Telnet(不安全的文本传送),默认端口号为23 / tcp(木马微型Telnet服务器所开放的端口);

FTP,默认的端口号为21/tcp (木马Doly Trojan、Fore所开放的端口) ;

TFTP(测试用的文件传输协议),默认的端口号为69/udp;

SSH (安全登录)、SCP(文件传输)、端口重定向,默认的端口为22/tcp;

smtp(简单邮件传输协议),默认的端口号为25/tcp(木马抗原,电子邮件密码发件人都开放这个端口);

3.POP3 Post Office Protocol (E-mail),默认的端口号为110/tcp;

WebLogic,默认的端口号为7001;

Webshpere应用程序,默认的端口号为9080;

webshpere管理I具,默认的端口号为9090;

JBOSS,默认的端口号为8080;

TOMCAT,默认的端口号为8080;

WIN2003远程登陆,默认的端口号为3389;

Symantec AV/Filter for MSE,默认端口号为8081;

Oracle数据库,默认的端口号为1521;

ORACLE EMCTL,默认的端口号为1158;

Oracle XDB (XML数据库),默认的端口号为8080;

Oracle XDB FTP服务,默认的端口号为2100;

MS SQL SERVER数据库server,默认的端口号为1433/tcp 1433/udp;

MS SQL SERVER数据库monitor,默认的端口号为1434/tcp 1434/udp;

QQ,默认的端口号为1080/udp

本文分享自微信公众号 - ITester软件测试小栈(ITestingA)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-09-27

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券