计算机网络面试核心
网络基础知识¶
OSI开放式互联参考模型¶
- 物理层：机械、电子、定时接口铁牛信道上的原始比特流传输
- 数据链路层：物理寻址，同时将原始比特流转变为逻辑传输线路
- 网络层：控制子网的运行，如逻辑编址、分组传输、路由选择 。IP协议
- 传输层：TCP\UDP、接收上一层的数据，在必须要的时候把数据进行分割，并将这些数据交给网络层
- 会话层：不同机器上的用户之间简历及管理会话，SSL、TLS
- 表示层：信息的语法语义以及它们的关联，如加密解密、转换翻译、压缩解压缩
- 应用层：HTTP协议
快捷记忆：All People Seem To Need Data Processing.（所有人似乎都需要数据处理）
一个通俗易懂的比喻是：假设你要给你的朋友寄一封信，你需要写好信件（应用层），然后把信件装进信封（表示层），写上收件人地址和发件人地址（会话层），把信封装进一个快递包裹（传输层），然后把快递包裹交给快递员（网络层），快递员把包裹送到邮局（数据链路层），邮局把包裹放进邮袋（物理层），最后邮袋被运送到收件人所在地，收件人拿到邮袋并取出信封，读取信件内容（应用层）。
TCP/IP协议：OSI的实现¶
| OSI七层模型 | TCP/IP概念层模型 |
|---|---|
| 应用层 | / 应用层 |
| 表示层 | | 应用层 |
| 会话层 | 应用层 |
| 传输层 | 传输层 |
| 网络层 | 网络层 |
| 数据链路层 | / 链路层 |
| 物理层 | 链路层 |
TCP的三次握手¶
TCP简介¶
- 面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
- 将应用层的数据流分割成报文段并发送给目标节点的TCP层
- 数据包都有序号，对方收到则发送ACK确认，未收到则重传
- 使用校验和来检验数据在传输过程中是否有误
TCP Flags¶
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SYN：同步序号，用于建立连接过程
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ACK：确认序号标志
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PSH：push标志
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RST：重置连接标志
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URG：紧急指针标志
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FIN：finish标志，用于释放连接
TCP三次握手¶
在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。
第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包 (sym=j) 到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认
第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN (ack=j+1)，同时自己也发送一个SYN包(syn=k)，即 SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态
第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK (ack=k+1) ，此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手
为什么需要三次握手才能建立连接？
为了初始化Sequence Number的初始值
首次握手的隐患¶
SYN超时¶
SYN超时是指客户端发送SYN包后，如果服务器没有及时响应，客户端会重新发送SYN包。如果服务器仍然没有响应，客户端会一直重复发送SYN包，直到超时。这种情况可能会导致以下问题：
- 浪费网络资源：客户端不断发送SYN包，会占用网络带宽和服务器资源，浪费网络资源。
- 延迟连接建立：由于客户端需要等待SYN超时后才能重新发送SYN包，因此会延迟连接的建立时间。
- 安全问题：SYN超时可能会被攻击者利用，例如SYN洪泛攻击，攻击者发送大量的SYN包，导致服务器无法响应正常的连接请求。
原因分析¶
- ServerL收到Client的SYN,回复SYN-ACK的时候未收到ACK确认
- Server2不断重试直至超时，Linux默认等待63秒才断开连接
措施：¶
- 调整SYN超时时间：可以适当增加SYN超时时间，避免频繁重传SYN包。
- 使用SYN Cookie技术：SYN Cookie是一种防止SYN洪泛攻击的技术，可以有效减少SYN超时的问题。
- 优化网络环境：优化网络环境，加强网络安全防护，可以减少SYN超时的发生。
建立连接后，client出现故障如何解决？
保活机制：
- 向对方发送保活探测报文，如果没有收到响应则继续发送
- 尝试次数达到保活探测数仍未收到响应则中断连接
TCP的四次挥手¶
挥手是为了终止连接：
TCP连接必须经过2MSL后才真正释放掉
一些概念的理解¶
- TCP四次挥手中的ACK和ack的区别
在TCP的四次挥手过程中，ACK和ack都是指确认信息的概念，但大小写的不同意味着它们的含义不同。
ACK（大写）是TCP协议中的一个标识符，表示确认收到了对方发来的数据段。
ack（小写）则是通常指TCP数据包中的确认序号字段，它是指接收方当前期望接收到的下一个数据包的序号，也就是表示已经收到了前一个数据包的编号。
- FIN的作用：
FIN用于TCP连接主动断开，请求释放连接，避免数据混乱和资源浪费。是连接释放的必要标记。
当一方向另外一方发送一个FIN时，它不能再发送任何数据。但是，它仍然可以接收数据直到它收到另一方发来的FIN后关闭连接。从另一方面来说，TCP连接的关闭是一个双向的过程，双方都需要发送FIN消息来完成连接的释放过程。
- seq与ack的关系
Seq（序列号）用于标识TCP报文段中数据的顺序，ack（确认号）用于表示对方期望接收的下一个字节的序号。Seq和ack的关系是，接收方通过发送ack确认序号来告诉发送方已经接收并成功处理了哪些数据，这样发送方就知道下一次该从哪个Seq开始发送数据了。
TCP 四次挥手流程¶
TCP采用四次挥手来释放连接
第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT1状态；
第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号)，Server进入CLOSE_WAIT状态；
第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态；
第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。
一些问题¶
- 如何理解TIME_WAIT状态
- 为什么需要四次握手才能断开连接
- 服务器出现大量CLOSE_WAIT状态的原因
对方关闭socketi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
获取CLOSE_WAIT状态:
>> netstat -an | awk '$1 == "tcp" && $NF == "CLOSE_WAIT" {print}'
- netstat -an：列出所有TCP连接的状态信息
- awk：选择与输出匹配的行
- '$1 == "tcp" && $NF == "CLOSE_WAIT" {print}'：选择状态为CLOSE_WAIT的TCP连接并输出
UDP¶
UDP的特点¶
- 面向非连接
- 不维护连接状态，支持同时向多个客户端传输相同的消息
- 数据包报头只有8个字节，额外开销较小
- 吞吐量只受限于数据生成速率、传输速率以及机器性能
- 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
- 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
与TCP的区别¶
- 面向连接 vs 无连接
- 可靠性
- 有序性
- 速度
- 量级
TCP滑动窗口¶
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RTT和RTO
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RTT：发送一个数据包到收到对应的ACK，所花费的时间
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RTO：重传时间间隔
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TCP使用滑动窗口做流量控制与乱序重排
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保证TCP的可靠性
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保证TCP的流控特性
HTTP与HTTPS¶
HTTP¶
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主要特点
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支持客户/服务器模式
- 简单快速
- 灵活
- 无连接
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无状态
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请求结构
HTTP请求由三个部分组成：请求行、请求头和请求体。
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请求行（Request Line）：由请求方法、请求URL和HTTP版本组成，以一个空格分隔。例如：
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请求头（Request Header）：由多个字段组成，每个字段由字段名、冒号和字段值组成，以一个回车换行符（\r\n）分隔。例如：
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请求体（Request Body）：一般用于POST请求，提交表单或上传文件等操作。请求体由多个字段组成，以一个回车换行符分隔。例如：
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响应结构
下面使用Markdown语法描述HTTP响应结构：
HTTP响应由三个部分组成：状态行、响应头和响应体。
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状态行（Status Line）：由HTTP版本、状态码和状态描述组成，以一个空格分隔。例如：
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响应头（Response Header）：由多个字段组成，每个字段由字段名、冒号和字段值组成，以一个回车换行符（\r\n）分隔。例如：
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响应体（Response Body）：服务器返回的实际响应数据。例如：
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请求/响应的步骤
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客户端连接到Web服务器
- 发送HTTP请求
- 服务器接受请求并返回HTTP响应
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释放连接TCP连接
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在浏览器地址栏键入URL,按下回车之后经历的流程
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DNS解析
- TCP连接
- 发送HTTP请求
- 服务器处理请求并返回HTTP报文
- 浏览器解析渲染页面
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连接结束
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常见的HTTP状态码
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200OK：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WWW-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 Unavailable：服务器当前不能处理客户端的请求，一段时间后可能恢复正常
GET请求和POST请求的区别¶
- Http报文层面：GET将请求信息放在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，而POST不行
Cookie和Session的区别¶
- Cookie简介：
- 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
- 客户端再次请求的时候，会把Cookiel回发
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服务器接收到后，会解析Cookie生成与客户端相对应的内容
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Session简介
- 服务器端的机制，在服务器上保存的信息
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解析客户端请求并操作session id，按需保存状态信息
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Session的实现方式
- 使用Cookie来实现
- 使用URL回写来实现
- 两者区别
- Cookie数据存放在客户的浏览器上，Session数据放在服务器上
- Session相对于Cookie更安全
- 若考虑减轻服务器负担，应当使用Cookie
HTTPS¶
- SSL(Security Sockets Layer，安全套接层)
- 为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议
- 是操作系统对外的API,SSL3.0后更名为TLS
- 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
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数字签名：证明某个消息或者文件是某人发出/认同的
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HTTPS数据传输流程
- 浏览器将支持的加密算法信息发送给服务器
- 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
- 浏览器验证证书合法性，并结合证书公钥加密信息发送给服务器
- 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
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浏览器解密响应消息，并对消息进行验真，之后进行加密交互数据
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两者区别
- HTTPS需要到CA申请证书，HTTP不需要
- HTTPS密文传输，HTTP明文传输
- 连接方式不同，HTTPS默认使用443端口，HTTP使用80端口
- HTTPS=HTTP+加密+认证+完整性保护，较HTTP安全
Socket¶
Socket是对TCP/IP协议的抽象，是操作系统对外开放的接口
面试题：编写一个网络应用程序，有客户端与服务器端，客户端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，客户端输出服务器端返回的该字符串的长度，分别用TCP和UDP两种方式去实现