计算机网络面试核心大总结
1 网络基础知识
1.1 OSI七层参考模型
全称：开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）
补充：为什么要有一个个层：
物理层：010101比特流，设备之间原始数据的传输，数模转换（发送端）和模数转换（接收端）
-》传输过程可能出现错码和误码？-------又问题，引入下一层：数据链路层
数据链路层：将原始比特流转换成逻辑传输符号，提供纠错编码，格式变为帧
-》出现多个网络节点，应该选择哪个节点？
网络层：通过路由选择，选择最佳路径，数据格式是IP数据包
-》某次连接传输的数据可能很大，会出现错传、漏传
传输层：将数据拆分成段，提供维护连接的机制（流量控制、拥塞控制）
-》对用户来说每次都要使用传输层拆分，再使用网络层寻路很麻烦
会话层：提供建立连接和维护连接的机制，方便用户使用
-》不同操作系统之间的网络传输如何互通？linux/windows
表示层：提供编码转换、加解密、解压缩
-》接收方不知道发送发发送的是什么东西、数据有多长？
应用层：规定发送方和接收方必须使用固定长度的消息头，并且消息头固定格式，并标明长度等信息。
1.物理层
设备之间原始数据的传输，数据格式：比特流。
2.数据链路层
原始比特流转换成逻辑传输数据，建立相邻结点之间的数据链路，mac地址寻址，数据格式：帧
3.网络层
将数据链路层提供的帧组成数据包，通过路由算法提供最佳传输路径，数据格式：IP数据包
数据链路层解决同一网络节点间的传输，网络层解决不同子网间的传输。（IP是网络层）
4.传输层
数据格式：也称作数据包（packets）（TCP的数据单元称为段（segments）UDP的数据单元称为数据报（datagrams））
拆分数据包，提供端对端不同主机用户进程数据传输，提供可靠或不可靠传输及流量控制，是连接通信子网和资源子网的桥梁。
5.会话层
不参与具体的传输，提供建立和维护应用间通信的机制。
6.表示层
数据的表示方式（格式处理及编码转换）和特定功能（加解密，解压缩）的实现
7.应用层
为用户提供服务，为操作系统或者应用程序提供访问网络的的接口
应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等
1.2 TCP/IP四层结构
1.链路层：
包括物理层和数据链路层，是通过MAC地址传输数据的
2.网络层：
包括多种协议
IP协议：通过路由选择将数据封装后交给链路层。
ICMP协议(Internet Control Message Protocol)：用于主机和路由器直接传递控制消息，常用的ping就是用这个协议。
ARP协议(Address Resolution Protocol)：是正向地址解析协议，通过IP查找mac地址。
RARP协议：是反向地址解析协议，通过mac地址查找IP。
3.传输层
TCP协议：传输控制协议，是面向连接的、可靠的、基于IP的传输层协议
UDP协议：用户数据报协议，提供面向事物的、简单、不可靠的信息传输协议
4.应用层
FTP协议：文件传输协议，用于文件的上传下载。
Telnet协议：用户远程登录服务。
DNS(Domain Name System)协议：域名解析协议，提供域名到IP的解析。
SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)协议：简单的邮件传送协议，用于控制信件的发送中转。
NFS协议：网络文件系统，用于不同主机间文件共享。
HTTP协议：超文本传输协议，用于实现互联网访问功能。
1.3 OSI七层协议和TCP/IP协议之间的关系
| 链路层 | 物理层 数据链路层 |
| 网络层 | 网络层 |
| 传输层 | 传输层 |
| 应用层 | 会话层 表示层 应用层 |
- OSI更注重通信模块必要的功能是什么
- TCP/IP更注重实现协议应该开发哪种程序
2. TCP的三次握手和四次挥手
2.1 TCP报文头结构定义
其中：
seq是32位序号，ack是32位确认序号
- URG：紧急指针标志
- ACK：确认序号标志
- PSH：push标志
- RST：重置连接标志
- SYN：同步序号，用于建立连接过程
- FIN：finsh标志，用于释放连接
2.2 TCP三次握手
初始时，服务器端处于LISTEN监听状态
第一次握手：客户端发送SYN包到服务器（SYN标志位为1，seq=x）并进入SYN-SENT状态，等待服务器确认；
第二次握手：服务端确认客户端的SYN包（ACK标志位为1，ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（SYN标志位为1，seq=y），并且进入到SYN-RCVD状态；
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送一个确认包（ACK标志位为1，ack=y+1）,此包发送完毕，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
为什么需要三次握手才能建立起链接
为了初始化Sequence Number的初始值
首次握手的隐患--SYN超时
可能出现的问题及解决方案：
问题起因 ：
- Server收到Client的SYN，回复SYN+ACK的时候未收到ACK确认。
- 则Server不断重试直至超时，Linux默认等待63秒（1+2+4+8+16+32）才断开连接。
SYN超时可能会带来恶意代码攻击，应对SYN Flood的防护措施是：
- SYN队列满后，通过tcp_syncookies参数回发SYN Cookie
- 若为正常连接则Client会回发SYN Cookie，直接建立连接。
建立连接后，Client出现故障怎么办？
保活机制：
- 向对方发送保活探测报文，如果未收到响应则继续发送，
- 尝试次数达到保活探测次数仍未收到响应则中断连接
2.3 TCP的四次挥手
第一次挥手：客户端发送一个FIN包（FIN=1,seq=u），用来关闭客户端到服务端的数据传送，之后客户端进入FIN_WAIT-1状态；
第二次挥手：服务端接收到FIN后，发送一个ACK给客户端，确认序号ack为收到序号seq+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），服务端进入到CLOSED_WAIT状态,客户端进入到FIN-WAIT-2状态；
第三次挥手：服务端发送一个FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送，并且服务端进入LAST_ACK状态；
第四次挥手：客户端收到FIN后，客户端进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给服务端，确认序号ack为收到序号seq+1.紧接着服务器端进入CLOSED状态，完成四次挥手
为什么会有TIME_WAIT状态？
1.确保有足够的时间让对方收到ACK包
2.避免新旧混淆
（ 假设最终的ACK丢失，服务端将重发FIN，客户端必须维护TCP状态信息以便可以重发最终的ACK，否则会发送RST，结果主机认为发生错误。TCP实现必须可靠地终止连接的两个方向(全双工关闭)，客户端必须进入 TIME_WAIT 状态，因为客户端可能面临重发最终ACK的情形。）
注：TIME_WAIT:
表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN WAIT1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。（主动方）
为什么需要四次挥手才能断开连接
因为全双工，发送方和接收方都需要FIN报文和ACK报文
服务器出现大量CLOSE_WAIT状态的原因
对方关闭socket连接,我方忙于读或写,没有及时关闭连接
- 检查代码,特别是释放资源的代码
- 检查配置,特别是处理请求的线程配置
3 UDP
3.1 UDP报文头结构
英文：
中文：
概括：
- 由16位源端口号
- 16位目的端口号
- 16位UDP长度
- 16为UDP检验和
- 以及 数据 组成。
3.2 UDP特点：
1. 面向非连接的
2.不维护连接状态，支持同时向多个客户端传输相同的消息
3.数据包报头只有8个字节，额外开销比较小
4.吞吐量只受限于生成速率、传输速率以及及其性能
5.尽最大努力交付，不保证可靠交付，不需要维持复杂的链接状态表
6.面向报文，不对应用程序提交的报文信息进行拆分或者合并
关键词：非连接、多发、报头小、吞吐量、最大努力交付、面向报文
3.3 TCP和UDP的区别
1.面向连接VS非连接
2.可靠性
3.有序性
4.量级
5.速度
4 TCP的滑动窗口
4.1 基本概念：
4.1.1 RTT和RTO：
RTT：（Round Trip Time）发送一个数据包收到对应的ACK，所花费的时间
RTO：（Retransmission TimeOut）重传时间间隔
4.2 TCP使用滑动窗口做流量控制与乱序重排的目的
- 保证TCP的可靠性
- 保证TCP的流控特性
->TCP报文头中的Window即指滑动窗口
4.3 滑动窗口数据的计算：
以下均为从左到右序号逐渐递增
发送端：
LastByteAcked：已经发送并且收到回复的最后一个序号位置
LastByteSent：已经发送但还没有时候到回复的最后一个序号位置
LastByteWritter：已经准备好的但还没发送的最后一个序号位置
接收端：
LastByteRead：收到并已经回复的最后一个位置
NextByteExcepted：收到的连续最大的sequence的位置（已经收到但还没有发送回复ACK）
LastByteRcvd：已收到的最后一个字节的位置
计算：
AdvertisedWindow = MaxRcvBuffer - (LastByteRcvd - LastByteRead)
EffectiveWindow = AdvertisedWindow - (LastByteSendt - LastByteAcked）其中：AdvertisedWindow（接收方还可以处理的量）、MaxRcvBuffer（接收方能接收的最大数据量）、
EffectiveWindow（窗口内剩余可发送数据大小）
4.4 滑动窗口的基本原理
4.4.1 TCP发送方：
包含四个状态：发送并收到回复、发送还没收到回复、还没发送但是可发送、还没发送并且不可发送
（1）假设起始状态：[32~45][46~51]共同构成了滑动窗口，其中前一部分是已发送的还没收到确认的，后一部分是可发送还没发的。
（2）假设发送的片段[32~36]，发送端收到接收端的ACK回复，那么滑动窗口即可向右移动5个字节
（3）此时可以将[46~51]发送出去，并且[52~56]由不可发送变为可发送，整个滑动窗口向右移动了5个字节的位置
4.4.2 TCP接收方：
包含三个状态：收到并且已回复、还没收到并且允许发送、还没收到也不允许发送
注：
1. 由于ACK直接由TCP栈回复，默认没有应用延迟，不存在已接收但未回复的状态
2.未接收但是可以接收的这段空间称为接收窗口
3。应用会根据自身处理能力的变化，通过本端TCP接收窗口大小的控制来实现对端的发送窗口进行流量限制
5 HTTP
HTTP：Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写,是用于从万维网（WWW:World Wide Web ）服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议；HTTP是基于TCP/IP通信协议来传递数据的。
5.1 主要特点：
HTTP是应用层协议
1.支持服务端/客户端两种模式
2.简单快速:
客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。请求的方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的服务规模小，因而通信速度很快。
3.灵活
允许传输任意类型的数据对象。
4.无连接
限制每次连接只处理一个请求
5.无状态
对事物处理没有记忆能力
5.2 报文结构
5.3 请求响应的步骤
1.客户端连接到服务端
2.发送HTTP请求
3.服务器接收请求并返回HTTP响应
4.释放TCP连接
5.客户端浏览器解析HTTP内容
在浏览器地址栏中键入URL，按下回车之后经历的流程：
1.DNS解析
2.TCP连接
3.客户端发送HTTP请求
4.服务端接收HTTP请求并返回HTTP报文
5.浏览器解析渲染页面
6.连接结束
5.4 HTTP状态码：
5.4.1 五种可能的取值：
1XX：指示信息，表示已经收到请求，继续处理
2XX：成功--表示请求已经被成功接收、理解、接受
3XX：重定向--要完成请求必须进行进一步操作
4XX：客户端错误--请求有语法错误或者无法实现
5XX：服务端错误--服务器未能实现合法的请求
5.4.2 常见的状态码：
200 OK：正常返回信息
400 Bad Request : 客户端请求有语法错误，不能被服务器所理解
401 Unauthorized : 请求未经授权（这个状态代码必须和WW-Authenticate报头域一起使用）
403 Forbidden : 服务器收到请求，但是拒绝提供服务
404 Not Found : 请求资源不存在，eg，输入了错误的URL
500 Internal Server Error : 服务器发生不可预期的错误
503 Server Unavaliable : 服务器当前不能处理客户端的请求
5.5 Get请求和POST请求的区别
三个层面：
- HTTP报文层面：GET将请求放在URL，POST放在报文体中
- 数据库层面：GET符合幂等性和安全性，POST不符合
- 其他层面：GET可以被缓存、被存储，POST不行
注：HTTP 幂等方法，是指无论调用多少次都不会有不同结果的 HTTP 方法。不管你调用一次，还是调用一百次，一千次，结果都是相同的。
5.6 Cookie和Session的区别
1.Cookie是什么？
（1）是由服务器发给客户端的特殊信息，以文本的形式存放在客户端
（2）客户端再次请求的时候，会把Cookie回发
（3）服务器接收到后，会解析Cookie生成与客户端相对应的内容
Cookie的发送过程如图：
2.Session是什么？
（1）服务器端的机制，在服务器上保存的信息
（2）解析客户端请求并操作session id，按需保存状态信息
Session的实现方式
（1）使用Cookie来实现
（2）使用URL回写来实现
Cookie和Seesion的区别
（1）Cookie数据存放在客户的浏览器上，Session数据存放在服务器上
（2）Session相对于Cookie更安全
（3）若考虑减轻服务器负担，应该使用Cookie
6 HTTP和HTTPS
6.1 简介
HTTP：Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写,是用于从万维网（WWW:World Wide Web ）服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议；HTTP是基于TCP/IP通信协议来传递数据的。
HTTPS：是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版，即HTTP下加入SSL层，你也可以说：HTTPS = HTTP + SSL
6.2 HTTP和HTTPS的区别：
1.HTTP默认端口为80，HTTPS默认端口为43；
2.HTTP不安全，HTTPS安全；（HTTPS=HTTP+加密＋认证＋完整性保护）
3.HTTP明文传输，HTTPS密文传输；
4.HTTP无需证书，HTTPS需要CA申请证书
5.HTTP的URL以http://开头，HTTPS的URL以https://开头
6.在OSI网络模型中，HTTP工作与应用层，而HTTPS工作在传输层
7. HTTPS = HTTP + 加密 + 认证 + 完整性保护，比HTTP安全
6.3 SSL是什么？
SSL（Security Sockets Layer）
1.为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议
2.是操作系统对外的API，SSL3.0后更名为TLS
3.采用身份验证和数据加密保证网络通信的安全和数据的完整性
加密的方式
- 对称加密:加密和解密都使用同一个密钥
- 非对称加密:加密使用的密钥和解密使用的密钥是不相同的
- 哈希算法:将任意长度的信息转换为固定长度的值,算法不可逆
- 数字签名:证明某个消息或者文件是某人发出/认同的
6.4 HTTPS数据传输流程
1.浏览器将支持的加密算法信息发送给服务器
2.服务器选择一套浏览器支持的加密算法，以证书的形式回发浏览器
3.浏览器验证证书合法性，并结合证书公钥加密信息发送给浏览器
4.服务器使用私钥解密信息，验证哈希，加密响应消息回发浏览器
5.浏览器解密响应消息，并对消息进行验证，之后进行加密交互数据
6.5 HTTPS真的安全吗？
1.浏览器默认填充http://，请求需要进行跳转，有被劫持的风险
2.可以使用HSTS（HTTP Strict Transport Security）优化
7 Socket
7.1 简介
Socket（套接字）是TCP/IP协议的抽象，是操作系统对外开放的接口
7.2 Socket通信流程
server端
- 1.socket() 创建socket
- 2.bind() 绑定socket和端口号
- 3.listen() 监听该端口号
- 4.accept() 接收来自客户端的连接请求
- 5.recd() 从socket中读取字符
- 6.close() 关闭socket
client端
- 1.socket() 创建socket
- 2.connect() 连接指定计算机的端口
- 3.send() 向socket中写入指定信息
- 4.close() 关闭socket
7.3 常见面试题：
1.编写一个简易的web server，有客户端与服务器端，客户向服务器发送一个字符串，服务器收到该字符串后将其打印到命令行上，然后向客户端返回该字符串的长度，最后，客户端输出服务端返回的该字符串的长度，分别用TCP和UDP两种方式去实现。
TCP实现如下
（1）服务器端：TCPServer
package IMUHERO;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class TCPServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建socket,并将socket绑定到65000端口
ServerSocket ss = new ServerSocket(65000);
//死循环，使得socket一直等待并处理客户端发送过来的请求
while (true) {
//监听65000端口，直到客户端返回连接信息后才返回
Socket socket = ss.accept();//侦听并接受到此套接字的连接
//获取客户端的请求信息后，执行相关业务逻辑
new LengthCalculator(socket).start();
}
}
}(2) 客户端：TCPClient
package IMUHERO;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
public class TCPClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建socket，并指定连接的是本机的端口号为65000的服务器socket
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 65000);
//获取输出流
OutputStream os = socket.getOutputStream();
//获取输入流
InputStream is = socket.getInputStream();
//将要传递给server的字符串参数转换成byte数组，并将数组写入到输出流中
os.write(new String("hello world").getBytes());
int ch = 0;
byte[] buff = new byte[1024];
//buff主要用来读取输入的内容，存成byte数组，ch主要用来获取读取数组的长度
ch = is.read(buff);
/**
* API详解：read(byte[] b) :
* 从输入流中读取一定数量的字节，并将其存储在缓冲区数组 b 中。以整数形式返回实际读取的字节数
**/
//将接收流的byte数组转换成字符串，这里是从服务端回发回来的字符串参数的长度
String content = new String(buff, 0, ch);
/**
* API详解：String shuzu=new String(byt, 0, len);
* new String(bytes, offset, length)
* bytes为要解译的字符串；
* offset为要解译的第一个索引，比如从0开始就是从字符串bytes的第一个字符开始；
* length为要解译的字符串bytes的长度
* **/
System.out.println(content);
//不要忘记关闭输入输出流以及socket
is.close();
os.close();
socket.close();
}
}
(3)辅助函数：
package IMUHERO;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
public class LengthCalculator extends Thread {
//以socket为成员变量
private Socket socket;
public LengthCalculator(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try {
//获取socket的输出流
OutputStream os = socket.getOutputStream();
//获取socket的输入流
InputStream is = socket.getInputStream();
int ch = 0;
byte[] buff = new byte[1024];
//buff主要用来读取输入的内容，存成byte数组，ch主要用来获取读取数组的长度
ch = is.read(buff);//API文档见客户端代码
//将接收流的byte数组转换成字符串，这里获取的内容是客户端发送过来的字符串参数
String content = new String(buff, 0, ch);//API文档见客户端代码
System.out.println(content);
//往输出流里写入获得的字符串的长度，回发给客户端
os.write(String.valueOf(content.length()).getBytes());
//不要忘记关闭输入输出流以及socket
is.close();
os.close();
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}先运行server端进行监听，然后运行client端发送数据，执行结果如下：
UDP实现如下：
服务器端：UDPServe
package IMUHERO;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
public class UDPServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
DatagramSocket socket = new DatagramSocket( 65001);
//初始化一个空的数据报,并接收输入流
byte[] buff = new byte[100];
DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(buff,buff.length);
socket.receive(receivePacket);
//解析数据
byte[]data=receivePacket.getData();
String content = new String(data,0,receivePacket.getLength());
System.out.println(content);//打印解析的字符串
//发送数据
byte[] sendContent = String.valueOf(content.length()).getBytes();
InetAddress address = receivePacket.getAddress();
int port = receivePacket.getPort();
DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(sendContent,sendContent.length,address,port);
socket.send(sendPacket);
}
}客户端：UDPClient:
package IMUHERO;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
public class UDPClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//初始化socket
DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
//初始化数据
byte [] buff = "Hello world".getBytes();
//发送数据
//将ip地址封装成InetAddress对象
InetAddress address = InetAddress.getByName("127.0.0.1");
int port = 65001;
DatagramPacket sendPacket = new DatagramPacket(buff,buff.length,address,port);
socket.send(sendPacket);
//接收数据
byte[]data=new byte[100];
//封装成一个数据报
DatagramPacket recevicePacket = new DatagramPacket(data,data.length);
socket.receive(recevicePacket);
byte[]receiveData = recevicePacket.getData();
String content = new String(receiveData,0,receiveData.length);
System.out.println(content);
}
}结果
