后端面试-计算机网络
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传输层
TCP
TCP 连接是一种在网络中传输数据时使用的协议，全称为传输控制协议（Transmission Control Protocol）。TCP为每数据流初始化并维护的某些状态信息（socket、序列号和窗口大小）。特点：
- 面向连接：在数据传输前，必须先建立一个连接，这个连接是全双工的。
- 可靠性：使用序列号和 ACK 机制确保可靠传输
- 面向字节流
- 流量控制和拥塞控制
TCP 通过提供可靠传输、流量控制、拥塞控制和连接管理，解决了数据在不可靠的 IP 网络上的传输问题：
- 可靠性传输：TCP 确保数据包在网络传输过程中不丢失、不重复，并且按顺序到达。通过 ACK、重传机制以及序列号，TCP 能够保证数据在不可靠的 IP 网络上可靠传输。
- 流量控制：TCP 通过滑动窗口机制调节发送方的数据发送速率，防止接收方因为处理能力有限而被数据流淹没。
- 拥塞控制：TCP 通过拥塞避免算法（慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复）来防止网络过载。
- 连接管理：采用三次握手和四次挥手机制来管理会话。
TCP 报文头部： +----------------------------+-------------------------------+
| Source Port | Destination Port |
| (2 Bytes) | (2 Bytes) |
+----------------------------+-------------------------------+
| Sequence Number | Acknowledgment Num |
| (4 Bytes) | (4 Bytes) |
+--------------+-------------+---------------+---------------+
| Data Offset | Reserved | Control Flags | Window Size |
| (1 Byte) | (1 Byte) | (1 Byte) | (2 Bytes) |
+--------------+-------------+---------------+---------------+
| Checksum | Urgent Pointer |
| (2 Bytes) | (2 Bytes) |
+----------------------------+-------------------------------+
| Options / Padding (Variable) |
+------------------------------------------------------------+
应用程序:
- HTTP（Hypertext Transfer Protocol）：超文本传输协议
- HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）：基于 HTTP 和 TLS/SSL 的安全版本
- FTP（File Transfer Protocol）：文件传输协议，允许不同计算机之间上传和下载
- SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：简单邮件传输协议，用于电子邮件的传输
- POP3（Post Office Protocol Version3）：接受电子邮件的协议
- IMAP（Internet Message Access Protocol）：另一种用于接受电子邮件的协议
- Telnet：远程登录
- SSH（Secure Shell）
- DNS（Domain Name System）：用于解析域名和 IP 地址的协议，是互联网基础设置的重要组成部分
- RTSP（Real-Time Streaming Protocol）：用于控制实时数据流的协议
三次握手
客户端首先发送一个
SYN（同步序列编号）消息给服务器，服务器收到后回复一个
SYN-ACK（同步序列编号-确认），最后客户端再发送一个
ACK（确认）消息确认服务器已经收到 SYN-ACK
消息，从而完成三次握手，建立一个可靠的 TCP 连接。
RFC 793 明确指出了使用三次握手的首要原因是：为了阻止历史的重复连接初始化导致的混乱。
- 帮助通信双方同步初始化序列号。
四次挥手
用于安全关闭一个已建立的连接的过程，确保双方都能完成数据传输并安全的释放连接。
步骤：
- 第一次挥手（FIN \(\rightarrow\)
ACK）：客户端主动关闭连接，发送
FIN包，进入FIN_WAIT_1状态。服务端接收到FIN后表示不再接收数据，但仍然可能发送数据。 - 第二次挥手（ACK）：服务端发送
ACK包，确认已经收到FIN。此时服务器进入CLOSE_WAIT状态，客户端进入FIN_WAIT_2状态。 - 第三次挥手（FIN \(\rightarrow\)
ACK）：服务端完成所有数据传输后，发送
FIN包，进入LAST_ACK状态，客户端收到FIN后，准备关闭连接。 - 第四次挥手（ACK）：客户端发送最后一个
ACK包，进入TIME_WAIT状态，等待可能迟到的FIN包。服务端收到ACK后关闭连接，进入CLOSED状态，客户端在TIME_WAIT计时结束后（2MSL），正式关闭连接。
UDP
UDP 用户数据报协议，User Datagram Protocol） 是一种通信协议，属于传输层协议，通常用于需要低延迟和快速传输的应用场景。UDP 是一种无连接的协议，与 TCP（传输控制协议）不同，UDP 不需要建立连接，也不保证数据传输的可靠性。它提供了一种简单、快速的方式来在网络中传输数据。特点：
- 无连接：UDP 在发送数据之前不需要建立连接，每个数据包都是独立的。
- 不保证可靠性：数据可能会丢失、重复或者乱序
- 传输速度快
与 TCP 对比：
| 类型 | 是否面向连接 | 传输可靠性 | 传输形式 | 传输效率 | 所需资源 | 场景 | 首部字节 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TCP | 是 | 可靠 | 字节流 | 慢 | 多 | 文件传输、邮件传输 | 20~60 |
| UDP | 否 | 不可靠 | 数据报文段 | 快 | 少 | 即时通讯 | 8 |
Socket：在 TCP/IP 协议中，Socket 是通信的端点。由 IP 地址和端口号组成，如
192.168.0.1:8080。序列号：序列号保证了数据传输的有序性和完整性。在三次握手中，通信双方交换序列号，并在此基础上为后续每个数据段分配序列号。
三元组：由 IP 和端口号的组合，即
IP + 端口号 + 协议类型，比如192.168.0.1:8080 (TCP)就是一个三元组。四元组：
源 IP 地址 + 源端口号 + 目的 IP 地址 + 目的端口号，这四个要素唯一标识了一个 TCP 连接。