面试 -- 网络 TCP/IP

现在面试门槛越来越高，很多开发者对于网络知识这块了解的不是很多，遇到这些面试题会手足无措。本篇文章知识主要集中在 TCP/IP 这块，也会对物理层和数据链路层有简单的介绍。文中知识来自 《图解 TCP/IP》与维基百科，若有错误请大家指出。文章会持续更新。

面试 -- 网络 HTTP

TCP/IP 基础知识

分组技术

• 可以让多个用户共享一条线路

tcp/ip 代表什么

• 利用 IP 进行通信时所必须用到的协议群的统称
  • RFC 协议的说明，STD 管理 RFC

互联网结构

• 互联网由很多较小范围的网络组成，每个小网由骨干网和末端网组成

TCP/IP 协议分层模型

• 物理层将二进制的0和1和电压高低，光的闪灭和电波的强弱信号进行转换
• 链路层代表驱动
• 网络层
  • 使用 IP 协议，IP 协议基于 IP 转发分包数据
  • IP 协议是个不可靠协议，不会重发
  • IP 协议发送失败会使用ICMP 协议通知失败
  • ARP 解析 IP 中的 MAC 地址，MAC 地址由网卡出厂提供
  • IP 还隐含链路层的功能，不管双方底层的链路层是啥，都能通信

• 传输层

  • 通用的 TCP 和 UDP 协议
    • TCP 协议面向有连接，能正确处理丢包，传输顺序错乱的问题，但是为了建立与断开连接，需要至少7次的发包收包，资源浪费
    • UDP 面向无连接，不管对方有没有收到，如果要得到通知，需要通过应用层

• 会话层以上分层

  • TCP/IP 分层中，会话层，表示层，应用层集中在一起
  • 网络管理通过 SNMP 协议

TCP/IP 分层模型与通信示例

• 发包过程
  • 表示层转码，会话层决定何时建立连接，传输层负责建立连接，断开连接和发送数据，保证数据能顺利发送至对端。TCP 协议（传输层）在数据前附加一个首部，这个首部除了包含发送端和接收端地址以外，还包含序号，检验和（判断数据是否被破坏）。IP （网络层）模块将 TCP 传来的首部和数据当数据。加首部，这个首部中包含地址和上一层的协议。链路层除了添加首部，还会添加 FCS 到包尾
• 收包过程
  • 链路层判断 MAC 地址，判断IP 协议。网络层做的事情差不多，在这里，对于有路由器的情况下，借助路由控制表，在找到应该送达的主句或路由器以后再转发数据。传输层检验数据是否被损坏，检验数据是否按照顺序发送，然后再做相同的事情

数据链路层

数据链路的作用

• 链路层将数据集合为一个帧的块，然后进行传输
• 只提供导线一端到另一端的传输

MAC 地址

• Mac 地址长48比特，被烧入到网卡 ROM 中，不会重复

交换机

• 交换机自学然后生成一张 Mac 表，具体原理为
  • 交换机4个端口连接着终端，A 终端与端口1连接，发送 frame 后交换机得知端口1和 A 终端的关系，然后转发到其他三端，转发完成后得知端口2与主机 B 想对应，记录到表中。以后主机 A 与主机 B 的通信就通过端口1和端口2进行

帧 frame

• 帧是“一个数据链路层的传输单元，由一个数据链路层首部和其携带的分组所组成”。譬如说以太网帧，PPP 帧

以太网帧结构

以太网帧结构

• 一个帧以7个字节的前导码和1个字节的帧开始符作为帧的开始
• 抱头包含源和目标的 Mac 地址和表明上一层网络协议的类型
• 接下来是数据
• 后面是帧验证序列，以验证帧是否损坏
• 最后有一个帧间距，两个帧发送间要再发送至少12字节的空闲线路状态码

IP 协议

网络层作用

• 跨越多种数据链路传输数据包
• 提供路由和寻址功能

IP 地址

• 每块网卡需配置至少一个 IP 地址
• IP 地址由32位正整数组成，为二进制，但是为了人类更好的阅读，将他每8位分为一组，共4组
• IP 地址由网络和主机两标识组成
  • 网络标识在数据链路的每个段配置不同的值，必须保证相互连接的端的地址不重复
  • 主机标识不允许在同一网段内重复
• IP 地址分为四个级别，分别为 A, B, C, D
  • A类地址是首位为 0 开头，前八位是网络标识， 0.0.0.0 ~ 127.0.0.0属于 A 类
  • B 类地址是前两位由 10 组成，前16位是网络标识，128.0.0.0 ~ 191.255.0.0 属于 B 类
  • C 类地址前三位是 110， 前24位是网络标识，192.0.0.0 ~ 239.255.255.0 属于 B 类
  • D 类前四位是 1110，32位全是网络标识，224.0.0.0 ~ 239.255.255.255属于 D 类
• 但是以上的分类已经不用，改为使用子网掩码定位网络标识长度。
  • 子网标识同一个网关，255.255.255.0和255.255.255.1是同一个子网
  • 子网掩码也是32位组成
  • 掩码中有几个1就代码几位网络标识，其他为主机标识
  • 假如掩码前24位为1，就代表前24位都为网络标识，用 IP 地址标识就是255.255.255.0，后面的0代表主机标识，理论上有256台主机可连接

路由控制

• 仅有 IP 地址还不足以将数据包发送到对端，还需指明路由器或主机。保存这种信息的就是路由控制表。
• 路由控制表中记录着地址与下一步要发送至路由器的地址。在发送 IP 包时，先确定 IP 包首部目标地址，然后在表中找到与该地址具有相同网络地址的记录，根据记录将 IP 包转发给相应的下一个路由器。

IPv6

• 地址长度为128位
• 解决了很多 IPv4的问题
  • IP 地址扩大（目前 IPv4地址不足的问题由 NAT解决，NAT 是一种在 IP 数据包通过路由器或防火墙时重写源 IP 地址或目标地址的技术。这种技术被用于多台主机使用单个公有 IP 访问互联网的私有网络中。）
  • 包首部长度固定40字节，路由器不在做分片操作，直接在发送端主机分片
  • 不需 DHCP 服务器也能自动分配 IP地址
  • 使用认证和加密功能

IP协议相关技术

DNS

• IP 地址不容易记忆，然后出现了域名。DNS 是将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库。
• DNS 解析
  • 查询 www.baidu.com ，DNS 服务器会先检查自身缓存，有记录则返回结果
  • 记录不存在，DNS 服务器向根域名服务器查询，然后会返回.com 域的权威域名服务器地址
  • DNS 向 .com 服务器查询，得到 .baidu.com 地址
  • DNS 向 .baidu.com 服务器查询，得到最终地址，存入缓存并返回结果

ARP

• 以太网协议规定两台主机相互通信必须知道目标主机 MAC 地址
• 数据链路层会将上一层 IP 协议发来的 IP 地址转为 MAC 地址
• 如果两台主机不在同一个局域网内，必须通过路由转发才能通信。此时，发送端通过 ARP 获得的 MAC 地址是一台可以通向局域网外的路由器的 MAC 地址
• IPv6解析 MAC 地址通过 NDP

NAT

• 用于在本地网络中使用私有地址，连接互联网时转为全局 IP 地址的技术
  • 本地地址10.0.0.10要向163.221.120.9通信
  • NAT 路由器会将发送源地址从10.0.0.10转为全局 IP 地址202.244.174.37再通信
• 当一个公有 IP 下有多台主机需要对外通信时，如果多台主机都使用相同的端口号会导致转为全局 IP 时数字一致，所有通过 NAPT 技术可以给转换端口号
  • NAT 路由器会自动生成 NAPT 的转换表，这个转换表可以正确转换地址和端口的组合
  • 在 TCP 中，简历 TCP 连接首次握手时的 SYN 包发出后就会生成表。在收到关闭连接时发出的 FIN 包时删除

TCP 与 UDP

传输层协议

TCP 和 UDP 是传输层的两个具有代表意义的协议.

TCP 是面向有链接的,可靠的协议,TCP 建立连接需要三次握手,断开连接需要四次握手.因为效率比不上 UDP 协议.但是 TCP 协议具有重发包，顺序控制等的机制。

UDP 是面向无连接的协议，不提供复杂的控制机制。做的最重要的事情就是分辨应用层协议。多用于视频音频通讯。

传输层的作用是指出具体该把数据包发给哪个应用，通过端口来分辨应用。

端口号

同一个端口不会同时出现，传输层通过辨认端口号来确认应用。但是只靠端口号识别通信是不够的。需要采取五个信息来识别一个通信，分别是源 IP 地址，目标 IP 地址，协议号，源端口号，目标端口号。两个包中只要任何一个信息不同就不是同一个通信。

TCP

三次握手建立连接

主机 A 相与主机 B 建立连接，主机 A 会首先发送一个 SYN 包给主机 B。主机 B 会返回 确认应答 ACK 或者否定应答 NACK。如果这时主机 A 长时间没有收到主机 B 的应答，主机 A 会重发 SYN 包给主机 B，实现了重发数据包的功能。当主机 B 发送 ACK 给主机 A 后，主机 A 也会发送一个 ACK 包给主机 B，这时建立连接。

TCP有顺序控制的功能，通过一个序列号来确认发送的数据。在发送 SYN 包前，假设主机 A 的初始序列号为1000，以该序号依次往下进行数据编号，然后告诉主机 B 初始序列，同时主机 B 会对 A 的序列号进行确认，假如主机 B 返回一个2000的序列号，则代表字节编号为1000 — 1999，表明主机 B 收到1000字节。

为什么不是两次握手

两次握手就建立连接，假如主机 A 发送的 SYN 因网络问题迟迟没有到达主机 B，这时候会重发另一个 SYN 包给 B，当 A 接受到 B 的 ACK 包时建立连接。这时如果第一个 SYN 到达 B 时，主机 B 会认为主机 A 希望再次建立连接，会返回一个 ACK 包给 A。当 A 收到 ACK 时会抛弃掉这个包，因为 A 并不想建立连接，这时主机 B 认为连接已经建立，会一直等待主机 A 发送数据，这样会导致主机 B 的性能损耗。

四次握手断开连接

主机 A 发送 FIN（请求切断连接），主机 B 收到后回复 ACK 和 FIN 包，主机 A 收到主机 B 的 FIN 和 ACK 后发送 ACK 包

TCP首部

TCP首部

序列号码

• 如果含有 SYN，则此为最初序列号
• 如果没有 SYN，则此为第一个数据字节的序列号

确认号码，期望收到的数据的开始序列号。

检验和，对整个 TCP 报文段，包括头部和数据以16位字进行计算所得，这时一个强制性字段

UDP头部

UDP头部

报文长度，指定 UDP 报头和数据总共占用的长度。

检验和，用于发现头部信息和数据中的传输错误，该字段在 IPv4中可选， IPv6中强制。