计算机网络原理

TCP 和 UDP 协议

HTTP 协议在 OSI 模型的哪一层？

HTTP协议在OSI模型中属于应用层协议。HTTP（超文本传输协议）是用于在Web上进行数据传输的协议，主要负责客户端和服务器之间的通信。

HTTP协议定义了请求和响应的格式，以及如何传输数据，因此它位于OSI模型的最高层——应用层。

OSI模型的七层

1. 物理层

2. 数据链路层

3. 网络层

4. 传输层

5. 会话层

6. 表示层

7. 应用层

TCP/IP五层模型

• 应用层

• 传输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层

TCP 协议三次握手、四次挥手详解（必会）

三次握手，以客户端向服务端发起TCP链接请求举例子。

• 客户端在主动打开链接后，发起 第一次握手（SYN=1，seq=x）。

• 服务端在收到第一次握手报文段后，发送 第二次握手（SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1）。此时能够证明，服务端可以正确收到客户端发来的信息，并向客户端继续索要编号为x+1的报文段。

• 客户端在收到第二次握手报文段后，会发送 第三次握手（ACK=1，seq=x+1，ack=y+1）。此时能够证明，客户端能够正确收到服务端发来的消息。

• 第三次握手信息到达服务端后，TCP链接建立，握手过程结束。此时服务端知道客户端能够收到自己的信息。

四次挥手，以客户端做为主动断开链接的一方举例。

• 客户端在报文发送结束后，希望进入终止程序，所以进行 第一次挥手（FIN=1，seq=u）。这条信息告知服务端，客户端已经发完信息，希望断联。

• 服务端在收到第一次挥手的报文段后，没有立即进入终止程序，因为可能还存在没有发送完的信息，所以进行 第二次挥手（ACK=1，seq=v，ack=u+1）。这条报文段是为了告知客户端，你（C）希望断开的信息我（S）收到了。

• 此时进入半关状态，服务端在一段时间之后，数据也发送完毕，则进入终止程序，主动进行 第三次挥手（FIN=1，seq=w，ACK=1，ack=u+1）。这条报文段告知客户端，我的信息已发完，可以断联。

• 客户端在收到第三次挥手的报文段后，进行 第四次挥手（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1）。这条报文段告知服务端，你（S）希望断开的信息我（C）收到了。

为什么 TCP 协议握手是三次，而挥手需要四次

可以回答为：因为服务端不一定马上能关闭。。

因为在断开TCP链接挥手阶段的时候，被动断开的一方可能还有信息没有发送完，所以产生了收到 FIN 终止报文后的回复报文 和 终止报文两个报文，相比握手要多一个挥手次数。

TCP 和 UDP 的原理、区别、使用场景

原理：

TCP 协议通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接，提供可靠的数据传输服务。TCP 协议还在 IP 协议上实现了校验、序号机制、确认和重传机制。保证了数据传输的安全性和可靠性。

UDP 协议仅仅在 IP 协议上加入了复用、分用、差错检测。约等于裸奔。

区别、使用场景：

TCP和UDP都是基于网络层IP协议之上的传输层协议，TCP是面向连接的协议，而UDP是无连接的协议。

1. TCP（Transmission Control Protocol）提供可靠的数据传输服务，确保数据包按顺序到达，并且在传输过程中进行错误检测和纠正。TCP适用于需要保证数据完整性和可靠性的应用，如HTTP、FTP、SMTP等。

2. UDP（User Datagram Protocol）提供无连接的数据传输服务，不保证数据包的顺序到达，不可靠。UDP适用于小型数据包或对速度要求较高，但对数据完整性不敏感的应用，如视频流、在线游戏、DNS解析等。

TCP的慢启动和拥塞避免

为了防止网络中被注入过多的数据造成网络拥堵，在TCP的拥塞避免算法中使用了：慢启动，拥塞避免，快重传，快恢复等方法。

• 慢启动：发送端最开始只发送一个报文段，每收到一个回复报文就将可发送数增加 1。所以一个传输轮次中是以二的倍数增加的。

• 拥塞避免：当发送端的可发送数达到一个阈值时，进入拥塞避免阶段，此时每收到一个回复报文就将可发送数增加 1。

• 一旦发送端察觉到出现拥堵，就会将发送窗口重新降为1，再次进入慢启动状态。这是为了让网络有时间处理完积压的数据。

• 快重传：当发送端连续收到三个重复的 ACK 冗余报文时，立即重传丢失的数据包，而不必等待重传定时器到期。

• 快恢复：当发送端收到三个重复的 ACK 冗余报文时，进入快恢复，发送窗口减小为一半，并进入拥塞避免算法。这是因为，既然能顺利收到3个重复的ACK报文说明非目标报文的后续报文段陆续抵达，此时可以认为网路不存在严重拥堵，不需要退避到1重新进行慢开始。

TCP为什么在关闭链接之后，主动发起关闭的那一方需要等待 2MSL

为什么在TCP断开链接之后，主动断开链接的一方会等待2MSL的时间？

首先，MSL是一个报文段在网络中的最长持续时间，TCP必须等待 2MSL 时长才能彻底断开链接是为了两点：

1. 预留重传时间窗口：如果最后一次挥手的报文段丢失，那么服务器端超时会请求重传，如果提前关闭，服务器端可能无法正确关闭TCP链接。

2. 防止脏数据污染：我们在建立tcp链接的时候是依靠着服务器和客户端的套接字来确认的，也就意味着，如果网络里还有一些延迟的旧数据包没消失，贸然在这个时间建立了新的TCP链接，可能会导致新链接误以为旧包是新数据。

TCP 报文段的首部的标志位有哪些？TIME_WAIT, CLOSE_WAIT 状态各属于哪一方？

TCP 报文段的首部包含以下标志位：

• SYN（同步）：用于建立连接的标志位。

• ACK（确认）：用于确认收到数据的标志位。

• FIN（结束）：用于终止连接的标志位。

• RST（重置）：用于重置连接的标志位。

• PSH（推送）：用于提示接收方立即将数据推送给应用层，不用等缓存区满了之后再向上交付。（尽快交付）

• URG（紧急）：用于标识报文段中有紧急数据的标志位。（尽快发送）

TIME_WAIT：属于主动断联方，当一方主动关闭连接后，会进入 TIME_WAIT 状态，等待 2MSL 的时间，以确保对方收到最后的 ACK 报文段，并且防止旧的报文段干扰新的连接。

CLOSE_WAIT：属于被断联方，当一方被动关闭连接后，但仍有数据需要发送（不发也有这个状态），会进入 CLOSE_WAIT 状态。

粘包拆包是什么，发生在哪一层

粘包和拆包是指在 TCP 协议中，由于 TCP 是一个面向字节流的协议，数据包可能会被分割成多个部分发送（拆包），或者多个数据包可能会被合并成一个数据包发送（粘包）。这主要发生在传输层。

黏包怎么解决？

解决粘包问题的方法有以下几种：

1. 定长消息：每个消息固定长度，接收端按照固定长度读取

2. 分隔符：在消息之间使用特殊的分隔符，接收端根据分隔符进行拆包

3. 消息头：在消息前面添加一个固定长度的消息头，包含消息的长度信息，接收端先读取消息头，然后根据长度信息读取消息体

4. 使用更高级的协议：如HTTP、WebSocket等，这些协议已经内置了解决粘包问题的机制。

SYN + ACK 包能不能拆开来发

SYN + ACK 包不能拆开来发，因为它们是TCP三次握手过程中第二步的一个整体，必须同时发送以确保连接的正确建立。

SYN 同步报文段本身也不携带任何数据。第二次握手的时候之所以要给同步报文段的确认位（ACK）置 1 是因为这也是针对第一次报文的确认报文。

讲讲听说过哪些快速重传算法

快速重传算法是TCP协议中的一种机制，用于在数据包丢失时快速恢复连接。它通过监测连续收到的重复ACK报文段来判断数据包是否丢失。当发送端连续收到三个重复的ACK报文段时，立即重传丢失的数据包，而不必等待重传定时器到期。

上文也提到了，只要接收端漏接了某个报文号，又接到之后的报文号，接收端会返回“冗余ACK”，次数到三次就立刻触发重传。

应用层协议

HTTPS用到的是对称加密还是非对称加密？分别体现在哪里？

HTTPS 即用到了对称加密，也用到了非对称加密。

• 非对称加密的特点是安全，但是慢。

• 对称加密的特点是快，但是不安全。

由此，结合 TCP 的特性，我们就可以在握手过程中使用 TLS 协议中的 RSA 算法进行非对称加密。在握手的过程中，浏览器先核实路由器中保存的CA机构签发的证书，并提取公钥。
再之后客户端本地生成一段随机码（密钥），使用公钥进行加密，由于解码这段信息的私钥仅保存在服务器上，所以就算中途被劫持也无法破译，使得密钥的安全性得到保障。
在后续的通信过程中，客户端和服务器就可以使用对称加密算法（如AES）来加密数据，因为双方都已经拥有了相同的密钥，这样可以保证通信的效率。

http协议各个版本

HTTP 1.0

关键性能卡点：每个请求都需要重新建立一次TCP链接。

HTTP 1.1

关键性能卡点：多个请求发送后，必须按序处理先来后到，才能处理处理下一个请求，这就会产生阻塞时间。这就是所谓的：队头阻塞（Head-of-Line Blocking）问题。

HTTP 2.0

HTTP2.0 协议引入了多路复用（Multiplexing）机制，允许在一个TCP连接上同时发送多个HTTP请求和响应，而不需要等待前一个请求完成。这解决了HTTP1.1中的队头阻塞问题，提高了性能。
HTTP2.0 还引入了头部压缩（Header Compression）和服务器推送（Server Push）等功能，进一步优化了性能。

关键升级：
二进制分帧

• 优先级
• 多路复用
• 流式传输

头部压缩
服务器推送（已过时）

关键性能卡点：在TCP 层仍然存在队头阻塞问题，因为当一个请求的分帧包丢了，就要等这个包完成重传才能一起提交给浏览器。只是从应用层上解决了并发问题，但是还是受到单个TCP链接的底层限制。

HTTP 3.0

HTTP3.0 协议引入了基于QUIC协议的传输机制，使用UDP协议代替TCP协议进行数据传输，从而解决了TCP协议中的队头阻塞问题，提高了性能和安全性。（了解即可）

GET 方法和 POST 方法区别

GET

• GET 是用来请求数据的

• GET 方法具有幂等性（不会影响服务器中的资源）

• GET 通常情况下把参数写在URL里

• GET 请求的数据会被保存在浏览器的历史记录中，也可以保存在CDN中

POST

• POST 是用来传输数据的

• POST 方法不具有幂等性（可能会影响服务器中的资源）

• POST 一般方法把参数写在请求体里

• POST 请求的数据不会被保存，而是直接打到服务器

误区：
GET 和 POST 实际上都可以把参数写在URL里或者请求体里，这不是核心差异。
GET 和 POST 都不保证安全，需要靠 HTTPS 的 TLS 协议完成加密才有安全性可言。
POST 方法传递参数的实际大小可能会受到服务器端的限制。如 Nignx 服务最高只支持 1MB 的请求体。

WebSocket

WebSocket 是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。它允许客户端和服务器之间进行实时数据交换，适用于需要频繁更新数据的应用，如在线聊天、实时游戏等。

• 建立在 HTTP 之上（通过 Upgrade 升级）

• 长连接（区别轮询）

• 低延迟（无重复握手）

WebSocket 握手过程（重点）

流程：

• 客户端发 HTTP 请求（带 Upgrade）
• 服务端返回 101 Switching Protocols
• 升级为 WebSocket 连接

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👉 关键请求头：

Upgrade: websocket /*告诉服务器，我想升级为websocket*/
Connection: Upgrade /*用于升级协议*/
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==（base64编码的一组随机元素）
Sec-WebSocket-Version

升级完成后就和 HTTP 协议没关系了。

有了HTTP2，为什么还需要 WebSocket

虽然 HTTP2 也完成了所谓的“全双工”通信和“服务器推”，但是服务器并不能主动向客户端发送消息，必须等到客户端先发起请求之后才能响应，这就导致了服务器无法主动推送消息的情况。而 WebSocket 则允许服务器在任何时候主动向客户端发送消息，实现真正的全双工通信。

服务器推：服务器在响应请求时，顺便把你“可能会用到的资源”提前发给你。Server Push 本质是“资源优化”，不是“通信机制”

DNS服务器用的是什么协议

UDP协议

DNS 查询通常情况下都是一些小的数据包，我们需要保证 DNS 查询的速度。TCP 维护链接状态和频繁的握手、挥手（不同DNS服务器之间查询）会造成很大的性能开销。

ping命令 用的是什么协议？在哪一层？

ping命令用的是ICMP（网际控制报文）协议，是网络层协议

能详细讲一下有限状态机怎么解析http报文吗

HTTP 报文可以分为：请求行、请求头、空行、内容体 四大块内容

那我们就可以根据：空格、回车、换行、空行来做不同状态的转变。

做一个简单的状态机：

• 解析前：STATE_BEGIN

• 解析请求行：STATE_REQUEST_LINE

• 解析请求头：STATE_HEAD_LINE

• 请求头解析结束：STATE_HEAD_DONE

• 解析内容体：STATE_CONTENT

• 解析结束：STATE_DONE

• 错误状态：STATE_ERROR

其中 解析请求行 和 解析请求头 还可以根据空格和冒号的存在做更细致的 划分。

假设我们收到了一个POST请求如下：

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5

POST /login HTTP/1.1\r\n
Host: www.example.com\r\n
Content-Length: 5
\r\n
hello

那么解析过程：

1. 起始状态：STATE_BEGIN读取第一个字符 P 进入 STATE_REQUEST_LINE 状态

程序从缓冲区一个字符一个字符读：

P O S T / l o g i n H T T P / 1 . 1 \r \n

当读到 \r\n，说明请求行结束。

然后把这一行拆成三部分：

1. method = POST
2. path = /login
3. version = HTTP/1.1

如果这一行不满足“三段结构”，就进入错误状态 STATE_ERROR。

2. 解析请求头：由 \r\n 触发到 STATE_HEAD_LINE 状态

以此类推。

如果解析http请求的时候，用户一次性没传完数据，（如果头部都没传完，请求报文长度字段都没传完，怎么办）

在解析 HTTP 请求时，如果数据没有接收完整，比如请求头还没结束或者 Content-Length 还没读取完整，解析器 不会进行错误处理，而是保留当前解析状态和缓冲区内容。等下一批数据到达后，再从当前状态继续解析。这种方式依赖有限状态机来记录解析进度，可以正确处理 TCP 的半包和粘包问题。

网络层协议

路由表

路由表是网络设备（如路由器）用来决定数据包转发路径的数据结构。它包含了目的地址、下一跳地址、接口等信息。当一个数据包到达路由器时，路由器会根据目的地址在路由表中查找匹配的条目，并根据下一跳地址将数据包转发到下一个设备。

未完待续

路由表为空怎么找到下一跳

当路由表为空时，路由器无法找到匹配的条目来转发数据包，这时会根据默认路由（Default Route）来处理。默认路由是一个特殊的路由条目，通常指向一个网关地址。当没有其他匹配的路由条目时，数据包会被转发到默认网关，由网关负责进一步处理和转发数据包。

未完待续

查看网络状况（ping、Traceroute）

ping 是运行在应用层，但是是基于网络层的ICMP协议的。
Traceroute 就直接工作在网络层

抓包工具

Fiddler，wireshark