传输层

TCP 和 UDP 的核心区别是什么？它们分别适用于哪些应用场景？

TCP	UDP
面向连接	无连接
提供可靠服务	尽最大努力，不保证可靠交付
面向字节流	面向报文
只能点到点	支持一对一，一对多，多对一和多对多
首部开销 20 字节	首部开销 8 个字节
可靠逻辑通信信道（全双工）	不可靠逻辑通信信道
适用于不能容忍数据丢失或出错的场景（网页、文件传输、邮件发送）	适用于速度时效性要求高，容许少量数据丢失的场景（直播、网络游戏）

参考：- TCP与UDP的区别

TCP 有哪些核心特性？

1. 面向连接 (Connection-oriented)： 在发送任何数据之前，通信双方必须首先建立一个连接。
2. 可靠性 (Reliability)： 保证数据无差错、不丢失、不重复，且按序到达。如果数据包在网络中丢失，TCP 会负责重新发送。
3. 面向字节流 (Byte-stream oriented)： 应用程序交给 TCP 的数据被看作是一连串无结构的字节流。TCP 会根据当前网络状况将其拆分成合适大小的报文段（Segment）进行发送。
4. 全双工通信 (Full-duplex)： 允许通信双方在任何时候都能同时发送和接收数据。

TCP 是如何保证可靠传输的？

1. 序列号与确认应答 (ACK)： 每个发出的字节都有一个序号。接收端收到数据后会回复一个确认号（ACK），告诉发送端“这个序号之前的数据我都收到了”。
2. 超时重传： 如果发送端发出数据后，在规定时间内没有收到对应的 ACK，就会认为数据丢失，并自动重新发送该数据包。
3. 流量控制 (Flow Control)： TCP 使用滑动窗口 (Sliding Window) 机制。接收端会告诉发送端自己缓冲区的剩余大小，发送端会根据这个大小控制发送速度，防止接收端处理不过来而导致数据丢失。
4. 拥塞控制 (Congestion Control)： 与流量控制关注“端到端”不同，拥塞控制关注整个“网络”。当网络出现拥堵时（表现为大量丢包），TCP 会主动降低发送速度，机制包括慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快重传和快恢复。

TCP 的“三次握手”和“四次挥手”过程

三次握手 (建立连接)：

1. 第一次握手 (SYN)： 客户端向服务器发送一个 SYN（同步序列号）报文，表示想要建立连接，并进入 SYN_SENT 状态。
2. 第二次握手 (SYN + ACK)： 服务器收到 SYN 后，需要确认客户端的请求（ACK），同时自己也发送一个 SYN 包（SYN+ACK），此时服务器进入 SYN_RCVD 状态。
3. 第三次握手 (ACK)： 客户端收到服务器的 SYN+ACK 后，向服务器发送确认包 (ACK)。发送完毕后，双方进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态，可以开始传输数据。

四次挥手 (断开连接)：

1. 第一次挥手 (FIN)： 客户端（或服务端）发送一个 FIN 报文，告诉对方自己没有数据要发送了。
2. 第二次挥手 (ACK)： 对方收到 FIN 报文后，回复一个 ACK 确认包。此时连接处于半关闭状态（发送方不再发送数据，但仍可接收）。
3. 第三次挥手 (FIN)： 当被动关闭方也没有数据要发送时，它也会发送一个 FIN 报文。
4. 第四次挥手 (ACK)： 主动关闭方收到 FIN 后，回复一个 ACK 确认包。经过一段等待时间（TIME_WAIT）后，连接彻底关闭。

为什么建立连接是三次握手，而断开连接需要四次？

建立连接时，服务端的“确认”和“请求”可以打包在一起发。所以三次就够。

关闭连接时，由于 TCP 是全双工的，客户端向服务器发起关闭请求时，服务器可能还有数据没发送完毕，因此只能先“确认”，随后等数据全部发送完毕了，再单独关闭。这个过程必须要四次交互。

在实际网络传输中，当被动关闭方（收到 FIN 的一方）在收到断开请求时，如果此时它的缓冲区里已经没有任何需要发送的数据，并且应用程序也立刻调用了关闭连接的指令，TCP 协议栈就会进行优化，将原本需要分两步发送的包合并。这就是所谓的 捎带确认（Piggybacking） 机制。在这个场景下，四次挥手就被压缩成了三次。

什么是 TIME_WAIT 状态？为什么需要这个状态？

TIME_WAIT 是 TCP 连接在彻底关闭前，主动发起关闭的一方必须经历的一个“等待期”，通常是 2 MSL (Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间)，也就是 60 秒。

为什么需要这个状态？

1. 可靠关闭：设置这个状态的目的在于 TCP 需要可靠地关闭连接，保证最后的 ACK 能成功到达。
2. 防止数据串扰：如果连接一断开端口就立刻被用来建立一个全新的连接，没有 TIME_WAIT 机制的话，上一个连接的被动关闭方如果发生了重传，就可能发生数据串扰（旧链接干扰新链接）。

如果系统中出现大量 TIME_WAIT 会有什么影响，如何解决？

主要影响是 端口耗尽 和 系统资源占用。

应用层解决办法：

1. 使用长连接 (Keep-Alive)：例如在 HTTP 中使用 Connection: Keep-Alive，在数据库或redis中使用连接池，避免频繁地建立和断开连接。

操作系统参数解决办法（Linux）：

1. 开启端口复用：在 /etc/sysctl.conf 中设置 net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1，这个参数允许系统在安全的情况下，将处于 TIME_WAIT 状态的端口直接拿来用于新的对外连接
2. 扩大本地可用端口范围：net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

不要开启 tcp_tw_recycle。 > 在网上很多旧教程中会推荐开启 net.ipv4.tcp_tw_recycle 来快速回收连接。但在现代网络（尤其是存在 NAT 或负载均衡的环境下），开启它会导致严重的丢包和连接失败问题。Linux 内核在 4.12 版本中已经彻底废弃并移除了这个参数。