TCP常见面试题

TCP

TCP协议问题

  • 连接
    • 三次握手
      • 费时：4G网络(3*100ms)
      • 费力：3个数据包
      • 优化：TCP Fast Open
    • 半连接(初始化连接SYN超时)
      • 耗费网络资源：5次重发SYN-ACK包
      • 耗费服务器资源：63秒后断开连接(TIME_WAIT = 2*MSL)
      • 易被攻击：SYN flood拒绝服务攻击

  • 断开

    • TIME_WAIT状态
      • 2*MSL：sudo sysctl -a | grep time_wait
      • 服务器：TIME_WAIT连接，占用机器的内存资源
      • 客户端：TIME_WAIT连接，占用TCP协议的端口
    • 优化
      • 连接本机服务，首选UNIX域套接字，提高通信效率，也避免浪费TCP端口
      • 加快回收：sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
      • 连接复用：sudo sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

  • 传输

    • 保序机制：流式交付，前序包阻塞
    • 确认机制：
      • 延迟确认：滑动窗口停等，降低吞吐率
      • 快速确认：消耗带宽
      • 优化：快速确认和延迟确认两种模式自动切换
    • 超时重传：
      • 默认：必须等待RTO(Retransmission TimeOut )超时，不能快速响应当前网络状况
      • 每次RTO超时导致重传后，RTO值翻倍，一直尝试tcp_retries2次重传
      • 优化：快速重传（收到3个重复的ACK即开始重传）
    • 重传数量：
      • 默认：发送方重传收到的ACK之后所有已发送的数据包，浪费带宽
      • 优化：选择确认（只重传SACK中缺少的数据包）

  • 流量控制：

    • 糊涂窗口综合症

      ：接收方每次只处理小包，或者发送方一直发送小包

    • Nagle算法 + 延迟确认

      ：Http Server中Write-Write-Read模式下的40ms延迟

      • 优化：设置TCP_NODELAY选项，禁用Nagle算法

  • 拥塞控制（Reno算法）：

    • 概念：
      • RTT（Round Trip Time）：往返时间（从数据包发出到收到ACK的时间）
      • RTO（Retransmission Time）：重传时间（根据RTT动态调整，作为重传定时器的超时时间，收到ACK后重置连接的重传定时器）
    • 慢启动（指数增长）
      • 每个RTT内，cwnd随收到的ACK线性自增；每个RTT后，cwnd翻倍增长
      • 丢包，或者cwnd超过慢启动门限ssthresh：进入拥塞避免阶段
    • 拥塞避免（退半避让，线性增长）
      • 丢包
        • RTO超时：ssthresh降为cwnd/2，cwnd降为1，重新进入慢启动过程
        • 3个重复ACK：进入快速重传阶段
      • cwnd超过ssthresh：
        • 每个RTT内，cwnd随收到的ACK增长1/cwnd个MSS；每个RTT后，cwnd增长1个MSS
    • 快速重传
      • ssthresh降为cwnd/2，cwnd降为ssthresh，进入快速恢复阶段
    • 快速恢复
      • cwnd设置为ssthresh+3，重传重复ACK指定的数据包
      • 收到重复ACK：cwnd自增
      • 收到新的非重复ACK：cwnd置为快速重传阶段的初始ssthresh，进入拥塞避免阶段

TCP 协议调优

  • setsockopt

    • SOL_SOCKET

  • ```
    SO_KEEPALIVE：TCP心跳（生效与否还取决于tcp_keepalive_xxx）

    SO_LINGER：设置close行为（FIN or RST，TIME_WAIT or not）

    SO_RCVBUF：设置接收缓存，覆盖tcp_rmem

    SO_SNDBUF：设置发送缓存，覆盖tcp_wmem

    SO_REUSERADDR：设置地址重用

    1. 多块网卡多个地址，通配符bind

2. 重用处于TIME_WAIT状态的socket地址

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      IPPROTO_TCP

    - ```
      TCP_NODELAY：禁用Nagle算法，减少发送延时
      
      TCP_DEFER_ACCEPT：减少一次握手（仅限于Linux系统之间）

    握手

    • ```
      net.ipv4.tcp_syn_retries：客户端请求连接syn重试次数

      net.ipv4.tcp_synack_retries：服务器回复syn+ack重试次数

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        半连接队列

      - ```
        半连接队列溢出：
        
        netstat -s | grep LISTEN
        
        4375 SYNs to LISTEN sockets dropped
        
        
        
        半连接队列调优：
        
        net.ipv4.tcp_max_syn_backlog：SYN队列长度
        
        net.ipv4.tcp_syncookies：SYN队列溢出时向对方发送syncookies，防范SYNFlood攻击

      全连接队列

  • ```
    全连接队列溢出：

    netstat -s | grep listen

    22438 times the listen queue of a socket overflowed

    全连接队列调优：

    net.core.somaxcon：同listen()的backlog共同决定accept队列长度:min(backlog,somaxconn)

    net.ipv4.tcp_abort_on_overflow：accept队列溢出的处理方式

    默认关闭：服务器accept队列溢出后，直接丢弃客户端的ACK。待RTO超时后，重发SYN+ACK给客户端（不超过net.ipv4.tcp_synack_retries次）。

打开该选项：服务器accept队列溢出后，直接发送RST给客户端（connection reset by peer）。

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      缓存

    - ```
      net.ipv4.tcp_wmem：发送缓存
      
      net.ipv4.tcp_rmem：接收缓存
      
      net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf：接收缓存自动伸缩

    心跳

  • ```
    net.ipv4.tcp_keepalive_time：正常心跳间隔

    net.ipv4.tcp_keepalive_intvl：失败重试间隔

    net.ipv4.tcp_keepalive_probes：失败重试次数

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      TIME_WAIT

    - ```
      net.ipv4.tcp_max_tw_buckets：处于TIME_WAIT状态的socket数上限
      
      net.ipv4.tcp_tw_recycle：是否尽快回收TIME_WAIT状态的socket
      
      net.ipv4.tcp_tw_reuse：是否尽量重用TIME_WAIT状态的socket
      
      net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait：socket处于TIME_WAIT状态的时间

    其他

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net.ipv4.tcp_fin_timeout：连接主动断开方等待对端FIN包的最大时间

net.ipv4.tcp_sack：选择ACK开关

net.ipv4.tcp_timestamps：TCP时间戳开关（在TCP包头增加12个字节，能够识别超时重发包，计算RTT更精确）

UDP

优点
  • 速度快
    • 跨运营商网络的情况下，UDP有可能比TCP块120倍
  • 穿越强
缺点
  • 传输不可靠
  • 需要考虑数据包大小
    • 应用层要规划数据包大小，避免IP层分片影响传输效率
    • 应用层MTU多大合适？
      • UDP包数据段：2^16-1-8-20=65507
      • 局域网（Ethernet）：1500-8-20=1472
      • 广域网（Internet）：576-8-20=548
      • 游戏常用，便于记忆：500
  • 简单模型低效，高性能编程复杂