网络编程常见面试题
一、TCP协议的概念和特点
TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）提供的是面向连接，可靠的字节流服务。即客户和服务器交换数据前，必须现在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。并且提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。特点：
- 面向连接：通过三次握手建立连接，四次挥手断开连接；
- 可靠传输：确认应答机制、超时重传、拥塞控制；
- 面向字节流：
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确认应答机制：TCP将每个字节的数据都进行了编号，即为序列号。每一个ACK都带有对应的确认序列号，意思是告诉发送者，我已经收到了哪些数据;下一次你从哪里开始发。
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超时重传：主机A发送数据给B之后, 可能因为网络拥堵等原因, 数据无法到达主机B; 如果主机A在一个特定时间间隔内没有收到B发来的确认应答, 就会进行重发;主机A未收到B发来的确认应答，也可能是因为ACK丢失了，因此主机B会收到很多重复数据.。那么TCP协议需要能够识别出那些包是重复的包,，并且把重复的丢弃掉.，这时候我们可以利用序列号, 就可以很容易做到去重的效果。
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拥塞控制：每次发送数据包的时候, 将拥塞窗口和接收端主机反馈的窗口大小做比较, 取较小的值作为实际发送的窗口。
拥塞控制, 归根结底是TCP协议想尽可能快的把数据传输给对方, 但是又要避免给网络造成太大压力的折中方案 -
流量控制：接收端处理数据的速度是有限的. 如果发送端发的太快, 导致接收端的缓冲区被打满, 这个时候如果发送端继续发送, 就会造成丢包, 继而引起丢包重传等等一系列连锁反应。
二、UDP协议的概念和特点
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是一个简单的面向数据报的运输层协议。它不提供可靠性，只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用再客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，所以传输速度很快。特点：
- 无连接：知道对端的IP和端口号就直接进行传输, 不需要建立连接。
- 不可靠：没有确认机制, 没有重传机制; 如果因为网络故障该段无法发到对方, UDP协议层也不会给应用层返回任何错误信息。
- 面向数据报：不能够灵活的控制读写数据的次数和数量，应用层交给UDP多长的报文, UDP原样发送, 既不会拆分, 也不会合并。
三、TCP协议和UDP协议的区别
1、TCP面向连接，UDP是无连接；
2、TCP提供可靠的服务，UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付；
3、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流，UDP是面向报文的；
4、TCP保证数据顺序，UDP不保证；
5、TCP首部开销20字节，UDP的首部开销小，只有8个字节；
6、UDP传输速度更快，对系统资源需求更少；
四、TCP三次握手和四次挥手的过程
1、三次握手
2、四次挥手
3、CLOSE-WAIT状态
在被动关闭连接情况下，在已经接收到FIN，但是还没有发送相应的ACK的时刻，连接处于CLOSE_WAIT状态。通常来讲，CLOSE_WAIT状态的持续时间应该很短，正如SYN_RCVD状态。
现象：SOCKET出现大量处于CLOSE_WAIT状态。
原因：主要原因是某种情况下对方关闭了socket链接，但是本方没有关闭相应连接（可能正在从此链路读取或者写数据，收到TCP返回的SOCKET_ERROR未做关闭操作）。
解决措施：一般情况下是应用层代码编写问题。代码需要判断socket，一旦读到0，断开连接，read返回负，检查一下errno，如果不是AGAIN，就断开连接。
4、TIME-WAIT状态
由上面的TCP状态图可知，首先调用close()发起主动关闭的一方，在发送最后一个ACK之后会进入time-wait状态，也就是说该发送方会保持2MSL事件之后才会回到初始状态，MSL值是数据包在网络中的最大生存时间。
现象：SOCKET出现大量处于TIME_WAIT状态，严重情况下无法创建SOCKET。
原因：发起主动关闭的一方 socket将进入TIME_WAIT状态，TIME_WAIT状态将持续2个MSL，在Windows下默认为4分钟，不同的操作系统，默认时间不相同。TIME_WAIT状态下的socket不能被回收使用。具体现象是对于一个处理大量短连接的服务器，如果是由服务器主动关闭客户端的连接，将导致服务器端存在大量的处于TIME_WAIT状态的socket，严重影响服务器的处理能力，甚至耗尽可用的socket，停止服务。
解决SOCKET耗尽措施：修改系统关于TIME_WAIT相关的参数。《1》修改TIME_WAIT等待的时间。《2》允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接。设置SO_REUSEADDR套接字选项来通知内核，如果端口忙，但TCP连接位于TIME_WAIT状态时可以重用端口。《3》开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收。
为什么要这样做而不是直接进入CLOSED状态？原因有二：1）保证TCP协议的全双工连接能够可靠关闭；2）保证这次连接的重复数据段从网络中消失；
五、Select模型
过程：
（1）从用户空间拷贝fd_set到内核空间；
（2）遍历所有fd，调用全部指定设备的poll函数，将当前进程加入到各个设备的等待列表中；
（3）当设备就绪时，将唤醒等待队列中的所有节点，当前进程获取到完成信号，select/poll将返回。
（4）如果设备未就绪，则让出CPU进入阻塞状态，timeout之后将再次进行上述操作。
select的缺点：
（1）最大并发数有限制。支持的文件描述符数量太少，默认是32* 32 = 1024，可修改；
（2）效率低。每次都会线性扫描整个fd_set，集合越大速度越慢；fd_set内核/用户空间内存拷贝问题。
六、epoll模型
（1）调用epoll_create
在虚拟的epoll文件系统里创建一个file结点。在内核里，一切皆文件。所以，epoll向内核注册了一个文件系统，用于存储上述的被监控socket，当然这个file不是普通文件，它只服务于epoll。
在内核cache里创建一个红黑树用于存储需要监听的socket，以支持快速的查找、插入、删除。epoll在被内核初始化时（操作系统启动），同时会开辟出epoll自己的内核高速cache区，用于安置每一个我们想监控的socket。
建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。
（2）调用epoll_ctl
把socket放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上；
给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后就来把socket插入到准备就绪链表里了。
（3）调用epoll_wait
观察list链表里有没有数据。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。而且，通常情况下即使我们要监控百万计的句柄，大多一次也只返回很少量的准备就绪句柄而已，所以，epoll_wait仅需要从内核态copy少量的句柄到用户态而已。
总结：
一颗红黑树，一张准备就绪句柄链表，少量的内核cache，解决了大并发下的socket处理问题。执行epoll_create时，创建了红黑树和就绪链表； 执行epoll_ctl时，如果增加socket句柄，则检查在红黑树中是否存在，存在立即返回，不存在则添加到树干上，然后向内核注册回调函数，用于当中断事件来临时向准备就绪链表中插入数据; 执行epoll_wait时立刻返回准备就绪链表里的数据即可。
两种触发模式的区别：
LT（Level Triggered水平触发）模式下，只要一个句柄上的事件一次没有处理完，会在以后调用epoll_wait时重复返回这个句柄，而ET（Edge Triggered 边沿触发）模式仅在第一次返回。水平触发同时支持block和no-block socket，边沿触发只支持no-block socket。默认为LT，可以在epoll_ctl注册事件是指定为ET。
两种模式的实现：
当一个socket句柄上有事件时，内核会把该句柄插入上面所说的准备就绪list链表，这时我们调用epoll_wait，会把准备就绪的socket拷贝到用户态内存，然后清空准备就绪list链表，最后，epoll_wait检查这些socket，如果是LT模式，并且这些socket上确实有未处理的事件时，又把该句柄放回到刚刚清空的准备就绪链表。所以，LT模式的句柄，只要它上面还有事件，epoll_wait每次都会返回。
两种模式的优缺点：
LT优点：当进行socket通信的时候，保证了数据的完整输出，进行IO操作的时候，如果还有数据，就会一直的通知。缺点：由于只要还有数据，内核就会不停的从内核空间转到用户空间，所有占用了大量内核资源，试想一下当有大量数据到来的时候，每次读取一个字节，这样就会不停的进行切换。内核资源的浪费严重。效率来讲也是很低的。
ET优点：每次内核只会通知一次，大大减少了内核资源的浪费，提高效率。缺点：不能保证数据的完整。不能及时的取出所有的数据。
LT：稳定可靠但效率低；ET：不可靠，使用复杂但效率高；