计算机⽹络

关于⾯试经常问的 TCP 和 UDP ，我之前在知乎上写了⼀篇⽂章：参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/108822858

打开知乎，搜索关键字「⼀⽂搞定 TCP UDP 」排名第⼀的答案就是了。

重点在 TCP/IP 协议和 HTTP 协议。

1、OSI 七层协议模型

OSI 模型（Open System Interconnection Model）是⼀个由 ISO 提出得到概念模型，试图提供⼀个使各种不同的的计算机和⽹络在世界范围内实现互联的标准框架。

虽然OSI参考模型在实际中的应⽤意义并不是很⼤，但是它对于理解⽹络协议内部的运作很有帮助，为我们学习⽹络协议提供了⼀个很好的参考。它将计算机⽹络体系结构划分为7层，每层都为上⼀层提供了良好的接⼝。以下将具体介绍各层结构及功能。

2、分层结构

OSI 参考模型采⽤分层结构，如图所示。附上⼀张经典图。

主要分为以下七层（从下⾄上）：物理层、数据链路层、⽹络层、传输层、会话层、表示层、应⽤层。

3、各层功能

物理层简单的说，物理层（Physical Layer）确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。在这⼀层上⾯规定了激活，维持，关闭通信端点之间的机械性，电⽓特性，功能特性，为上层协议提供了⼀个传输数据的物理媒体，这⼀层传输的是 bit 流。

数据链路层数据链路层（Data Link Layer）在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作⽤包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。这⼀层中将 bit 流封装成 frame 帧。

⽹络层⽹络层（Network Layer）负责对⼦⽹间的数据包进⾏路由选择。此外，⽹络层还可以实现拥塞控制、⽹际互连等功能。在这⼀层，数据的单位称为数据包（packet）。

传输层传输层是第⼀个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。

在这⼀层，数据的单位称为数据段（segment）。

会话层这⼀层管理主机之间的会话进程，即负责建⽴、管理、终⽌进程之间的会话。会话层还利⽤在数据中插⼊校验点来实现数据的同步，访问验证和会话管理在内的建⽴和维护应⽤之间通信的机制。如服务器验证⽤户登录便是由会话层完成的。使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。⽐如说建⽴会话，如 session 认证、断点续传。

表示层这⼀层主要解决⽤户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某⼀⽤户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使⽤的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。

数据的压缩和解压缩，加密和解密等⼯作都由表示层负责。⽐如说图像、视频编码解，数据加密。

应⽤层这⼀层为操作系统或⽹络应⽤程序提供访问⽹络服务的接⼝。

4、各层传输协议、传输单元、主要功能性设备⽐较

名称传输协议传输单元主要功能设备/接⼝物理IEEE 802.1A、IEEE 802.2bit-flow ⽐特流光纤，双绞线，中层继器，集线器，⽹线接⼝数据ARP、MAC、 FDDI、Ethernet、frame 帧⽹桥、⼆层交换机链路Arpanet、PPP、PDN层⽹络IP、ICMP、ARP、RARP数据包（packet）路由器、三层交换层机传输TCP、UDPSegment/Datagram四层交换机层会话SMTP、DNS报⽂QoS层表示Telnet、SNMP报⽂-层应⽤FTP、TFTP、Telnet、HTTP、DNS报⽂-层

5、描述TCP头部？

序号（32bit）：传输⽅向上字节流的字节编号。初始时序号会被设置⼀个随机的初始值（ISN），之后每次发送数据时，序号值 = ISN + 数据在整个字节流中的偏移。假设A ->B且ISN = 1024，第⼀段数据512字节已经到B，则第⼆段数据发送时序号为1024 + 512。

⽤于解决⽹络包乱序问题。

确认号（32bit）：接收⽅对发送⽅TCP报⽂段的响应，其值是收到的序号值 + 1。

⾸部⻓（4bit）：标识⾸部有多少个4字节 * ⾸部⻓，最⼤为15，即60字节。

标志位（6bit）：

URG：标志紧急指针是否有效。

ACK：标志确认号是否有效（确认报⽂段）。⽤于解决丢包问题。

PSH：提示接收端⽴即从缓冲读⾛数据。

RST：表示要求对⽅重新建⽴连接（复位报⽂段）。

SYN：表示请求建⽴⼀个连接（连接报⽂段）。

FIN：表示关闭连接（断开报⽂段）。

窗⼝（16bit）：接收窗⼝。⽤于告知对⽅（发送⽅）本⽅的缓冲还能接收多少字节数据。⽤于解决流控。

校验和（16bit）：接收端⽤CRC检验整个报⽂段有⽆损坏。

6、TCP三次握⼿和挥⼿

3. 三次握⼿过程？

第⼀次：客户端发含SYN位，SEQ_NUM = S的包到服务器。（客 -> SYN_SEND）第⼆次：服务器发含ACK，SYN位且ACK_NUM = S + 1，SEQ_NUM = P的包到客户机。（服 -> SYN_RECV）第三次：客户机发送含ACK位，ACK_NUM = P + 1的包到服务器。（客 ->ESTABLISH，服 -> ESTABLISH）4. 四次挥⼿过程？

第⼀次：客户机发含FIN位，SEQ = Q的包到服务器。（客 -> FIN_WAIT_1）第⼆次：服务器发送含ACK且ACK_NUM = Q + 1的包到服务器。（服 ->CLOSE_WAIT，客 -> FIN_WAIT_2）此处有等待第三次：服务器发送含FIN且SEQ_NUM = R的包到客户机。（服 -> LAST_ACK，客

-> TIME_WAIT）

此处有等待第四次：客户机发送最后⼀个含有ACK位且ACK_NUM = R + 1的包到客户机。（服 -> CLOSED）5. 为什么握⼿是三次，挥⼿是四次？

对于握⼿：握⼿只需要确认双⽅通信时的初始化序号，保证通信不会乱序。（第三次握⼿必要性：假设服务端的确认丢失，连接并未断开，客户机超时重发连接请求，这样服务器会对同⼀个客户机保持多个连接，造成资源浪费。）对于挥⼿：TCP是双⼯的，所以发送⽅和接收⽅都需要FIN和ACK。只不过有⼀⽅是被动的，所以看上去就成了4次挥⼿。

6. TCP连接状态？

CLOSED：初始状态。

LISTEN：服务器处于监听状态。

SYN_SEND：客户端socket执⾏CONNECT连接，发送SYN包，进⼊此状态。

SYN_RECV：服务端收到SYN包并发送服务端SYN包，进⼊此状态。

ESTABLISH：表示连接建⽴。客户端发送了最后⼀个ACK包后进⼊此状态，服务端接收到ACK包后进⼊此状态。

FIN_WAIT_1：终⽌连接的⼀⽅（通常是客户机）发送了FIN报⽂后进⼊。等待对⽅FIN。

CLOSE_WAIT：（假设服务器）接收到客户机FIN包之后等待关闭的阶段。在接收到对⽅的FIN包之后，⾃然是需要⽴即回复ACK包的，表示已经知道断开请求。但是本⽅是否⽴即断开连接（发送FIN包）取决于是否还有数据需要发送给客户端，若有，则在发送FIN包之前均为此状态。

FIN_WAIT_2：此时是半连接状态，即有⼀⽅要求关闭连接，等待另⼀⽅关闭。客户端接收到服务器的ACK包，但并没有⽴即接收到服务端的FIN包，进⼊FIN_WAIT_2状态。

LAST_ACK：服务端发动最后的FIN包，等待最后的客户端ACK响应，进⼊此状态。

TIME_WAIT：客户端收到服务端的FIN包，并⽴即发出ACK包做最后的确认，在此之后的2MSL时间称为TIME_WAIT状态。

7. 解释FIN_WAIT_2，CLOSE_WAIT状态和TIME_WAIT状态？

FIN_WAIT_2：

半关闭状态。

发送断开请求⼀⽅还有接收数据能⼒，但已经没有发送数据能⼒。

CLOSE_WAIT状态：

被动关闭连接⼀⽅接收到FIN包会⽴即回应ACK包表示已接收到断开请求。

被动关闭连接⼀⽅如果还有剩余数据要发送就会进⼊CLOSED_WAIT状态。

TIME_WAIT状态：

⼜叫2MSL等待状态。

如果客户端直接进⼊CLOSED状态，如果服务端没有接收到最后⼀次ACK包会在超时之后重新再发FIN包，此时因为客户端已经CLOSED，所以服务端就不会收到ACK⽽是收到RST。所以TIME_WAIT状态⽬的是防⽌最后⼀次握⼿数据没有到达对⽅⽽触发重传FIN准备的。

在2MSL时间内，同⼀个socket不能再被使⽤，否则有可能会和旧连接数据混淆（如果新连接和旧连接的socket相同的话）。

8. 解释RTO，RTT和超时重传？

超时重传：发送端发送报⽂后若⻓时间未收到确认的报⽂则需要重发该报⽂。可能有以下⼏种情况：

发送的数据没能到达接收端，所以对⽅没有响应。

接收端接收到数据，但是ACK报⽂在返回过程中丢失。

接收端拒绝或丢弃数据。

RTO：从上⼀次发送数据，因为⻓期没有收到ACK响应，到下⼀次重发之间的时间。

就是重传间隔。

通常每次重传RTO是前⼀次重传间隔的两倍，计量单位通常是RTT。例：1RTT，2RTT，4RTT，8RTT......

重传次数到达上限之后停⽌重传。

RTT：数据从发送到接收到对⽅响应之间的时间间隔，即数据报在⽹络中⼀个往返⽤时。⼤⼩不稳定。

⽬的是接收⽅通过TCP头窗⼝字段告知发送⽅本⽅可接收的最⼤数据量，⽤以解决发送速率过快导致接收⽅不能接收的问题。所以流量控制是点对点控制。

TCP是双⼯协议，双⽅可以同时通信，所以发送⽅接收⽅各⾃维护⼀个发送窗和接收窗。

发送窗：⽤来限制发送⽅可以发送的数据⼤⼩，其中发送窗⼝的⼤⼩由接收端返回的TCP报⽂段中窗⼝字段来控制，接收⽅通过此字段告知发送⽅⾃⼰的缓冲（受系统、硬件等限制）⼤⼩。

接收窗：⽤来标记可以接收的数据⼤⼩。

TCP是流数据，发送出去的数据流可以被分为以下四部分：已发送且被确认部分 | 已发送未被确认部分 | 未发送但可发送部分 | 不可发送部分，其中发送窗 = 已发送未确认部分 + 未发但可发送部分。接收到的数据流可分为：已接收 | 未接收但准备接收 |未接收不准备接收。接收窗 = 未接收但准备接收部分。

发送窗内数据只有当接收到接收端某段发送数据的ACK响应时才移动发送窗，左边缘紧贴刚被确认的数据。接收窗也只有接收到数据且最左侧连续时才移动接收窗⼝。

拥塞控制原理？

拥塞控制⽬的是防⽌数据被过多注⽹络中导致⽹络资源（路由器、交换机等）过载。

因为拥塞控制涉及⽹络链路全局，所以属于全局控制。控制拥塞使⽤拥塞窗⼝。

TCP拥塞控制算法：

慢开始 & 拥塞避免：先试探⽹络拥塞程度再逐渐增⼤拥塞窗⼝。每次收到确认后拥塞窗⼝翻倍，直到达到阀值ssthresh，这部分是慢开始过程。达到阀值后每次以⼀个MSS为单位增⻓拥塞窗⼝⼤⼩，当发⽣拥塞（超时未收到确认），将阀值减为原先⼀半，继续执⾏线性增加，这个过程为拥塞避免。

快速重传 & 快速恢复：略。

最终拥塞窗⼝会收敛于稳定值。

7、如何区分流量控制和拥塞控制？

流量控制属于通信双⽅协商；拥塞控制涉及通信链路全局。

流量控制需要通信双⽅各维护⼀个发送窗、⼀个接收窗，对任意⼀⽅，接收窗⼤⼩由⾃身决定，发送窗⼤⼩由接收⽅响应的TCP报⽂段中窗⼝值确定；拥塞控制的拥塞窗⼝⼤⼩变化由试探性发送⼀定数据量数据探查⽹络状况后⽽⾃适应调整。

实际最终发送窗⼝ = min{流控发送窗⼝，拥塞窗⼝}。

8、TCP如何提供可靠数据传输的？

建⽴连接（标志位）：通信前确认通信实体存在。

序号机制（序号、确认号）：确保了数据是按序、完整到达。

数据校验（校验和）：CRC校验全部数据。

超时重传（定时器）：保证因链路故障未能到达数据能够被多次重发。

窗⼝机制（窗⼝）：提供流量控制，避免过量发送。

拥塞控制：同上。

9、TCP soctet交互流程？

服务器：

创建socket -> int socket(int domain, int type, int protocol);domain：协议域，决定了socket的地址类型，IPv4为AF_INET。

type：指定socket类型，SOCK_STREAM为TCP连接。

protocol：指定协议。IPPROTO_TCP表示TCP协议，为0时⾃动选择type默认协议。

绑定socket和端⼝号 -> int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_taddrlen);sockfd：socket返回的套接字描述符，类似于⽂件描述符fd。

addr：有个sockaddr类型数据的指针，指向的是被绑定结构变量。

// IPv4的sockaddr地址结构

structsockaddr_in {

sa_family_t sin_family; // 协议类型，AF_INETin_port_t sin_port; // 端⼝号structin_addrsin_addr; // IP地址

};
structin_addr {
uint32_t s_addr;
}

addrlen：地址⻓度。

监听端⼝号 -> int listen(int sockfd, int backlog);sockfd：要监听的sock描述字。

backlog：socket可以排队的最⼤连接数。

接收⽤户请求 -> int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);sockfd：服务器socket描述字。

addr：指向地址结构指针。

addrlen：协议地址⻓度。

注：⼀旦accept某个客户机请求成功将返回⼀个全新的描述符⽤于标识具体客户的TCP连接。

从socket中读取字符 -> ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);fd：连接描述字。

buf：缓冲区buf。

count：缓冲区⻓度。

注：⼤于0表示读取的字节数，返回0表示⽂件读取结束，⼩于0表示发⽣错误。

关闭socket -> int close(int fd);fd：accept返回的连接描述字，每个连接有⼀个，⽣命周期为连接周期。

注：sockfd是监听描述字，⼀个服务器只有⼀个，⽤于监听是否有连接；fd是连接描述字，⽤于每个连接的操作。

客户机：

创建socket -> int socket(int domain, int type, int protocol);连接指定计算机 -> int connect(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_taddrlen);sockfd客户端的sock描述字。

addr：服务器的地址。

addrlen：socket地址⻓度。

向socket写⼊信息 -> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);fd、buf、count：同read中意义。

⼤于0表示写了部分或全部数据，⼩于0表示出错。

关闭oscket -> int close(int fd);fd：同服务器端fd。

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