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计算机网络面经（一）

news 来源：原创 2025/7/5 23:56:25

以下为个人总结，图源大部分会来自网络和JavaGuide

网络分层模型

OSI七层模型

在这里插入图片描述

各层的常见协议

  • 应用层 用户接口 HTTP, FTP, SMTP, DNS
  • 表示层 数据格式转换 SSL/TLS, JSON, JPEG
  • 会话层 会话管理 NetBIOS, RPC, SSH
  • 传输层 端到端通信 TCP, UDP, QUIC
  • 网络层 路由寻址 IP, ICMP, OSPF, BGP
  • 数据链路层 帧传输 Ethernet, Wi-Fi, ARP
  • 物理层 比特流传输 Ethernet, USB, 光纤
层间通信

发送方（封装）：
应用层 → 表示层 → 会话层 → 传输层 → 网络层 → 数据链路层 → 物理层
Message → 加密 → 会话ID → TCP头 → IP头 → 帧头/尾 → 比特流

接收方（解封装）：
物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层
比特流 → 帧解析 → 路由检查 → 端口分配 → 会话恢复 → 解密 → 用户数据

TCP/IP四层模型

在这里插入图片描述

  • 应用层 直接为用户应用提供服务。HTTP、FTP、DNS、SMTP、SSH。
  • 传输层 提供端到端的可靠或不可靠数据传输。TCP、UDP。
  • 网络层 实现主机到主机的逻辑寻址和路由。封装数据为IP数据报，包含源/目的IP地址。IP、ICMP、IGMP。
  • 网络接口层 负责在物理网络中传输数据帧。 以太网、Wi-Fi、ARP。
层间通信

发送端：
应用层 → 传输层 → 网络层 → 网络接口层
应用层数据 → [TCP头]+数据 → [IP头]+TCP段 → [帧头]+IP包+[帧尾] → 网络传输

接收端：
网络接口层 → 网络层 →传输层 → 应用层
网络传输 → 移除帧头/尾 → 移除IP头 → 移除TCP头 → 应用层数据

TCP相关

TCP的三次握手

在这里插入图片描述

  1. 第一次握手（SYN）
    客户端发送 SYN=1（同步标志位），并随机生成一个初始序列号 seq=x。
    目的：向服务器发起连接请求，并告知自己的初始序列号。
    此时客户端进入 SYN_SENT 状态。
  2. 第二次握手（SYN+ACK）
    服务器收到 SYN 后，回复 SYN=1 和 ACK=1（确认标志位），同时生成自己的初始序列号 seq=y，并确认客户端的序列号 ack=x+1。
    目的：确认客户端的 SYN，并告知自己的初始序列号。
    此时服务器进入 SYN_RCVD 状态。
  3. 第三次握手（ACK）
    客户端收到 SYN+ACK 后，发送 ACK=1，确认服务器的序列号 ack=y+1，并携带自己的序列号 seq=x+1（因为第一次握手的 SYN 占用一个序号）。
    目的：确认服务器的 SYN，完成双向连接建立。
    此时双方进入 ESTABLISHED 状态，可以开始数据传输。
为什么需要三次握手？
  1. 确认双方的收发能力
    第一次握手：服务器确认客户端能发。
    第二次握手：客户端确认服务器能收和发。
    第三次握手：服务器确认客户端能收。
  2. 防止历史重复连接初始化导致的资源浪费
    如果是两次握手，服务器可能因收到延迟的旧 SYN 请求而误建连接，而客户端实际不需要。
  3. 同步初始序列号（ISN）
    双方通过三次握手交换初始序列号，确保数据按序传输。
两次握手可以吗？

不行，服务器无法确认客户端是否收到自己的 SYN+ACK，可能导致半连接（服务器已就绪，客户端未就绪）。

四次握手可以吗？

如果改成四次握手（例如：客户端再发一个 ACK 确认服务器的 ACK），实际上是冗余的，因为第三次握手已经能确保双方通信正常，额外的确认不会带来更多好处，只会增加延迟。

四次挥手

在这里插入图片描述

  1. 第一次挥手（FIN）
    客户端发送 FIN=1（终止标志位）和序列号 seq=u，表示客户端没有数据要发送了，请求关闭连接。
    客户端状态：FIN_WAIT_1（等待服务器的 ACK）。
    注意：此时客户端仍可以接收数据（因为 TCP 是全双工的）。
  2. 第二次挥手（ACK）
    服务器收到 FIN 后，回复 ACK=1 和确认号 ack=u+1，表示已收到客户端的关闭请求。
    服务器状态：CLOSE_WAIT（等待服务器应用层处理完剩余数据）。
    客户端状态：收到 ACK 后进入 FIN_WAIT_2（等待服务器的 FIN）。
  3. 第三次挥手（FIN）
    服务器处理完剩余数据后，发送 FIN=1 和 seq=v（可能是新的序列号），表示服务器也没有数据要发送了，请求关闭连接。
    服务器状态：LAST_ACK（等待客户端的最终 ACK）。
  4. 第四次挥手（ACK）
    客户端收到 FIN 后，发送 ACK=1 和 ack=v+1，表示确认服务器的关闭请求。
    客户端状态：进入 TIME_WAIT（等待 2MSL 后彻底关闭）。
    服务器状态：收到 ACK 后立即关闭连接。
为什么需要四次挥手？
  • TCP 是全双工的，双方可以独立关闭连接：
    • 客户端主动关闭（第一次挥手）→ 服务器确认（第二次挥手）.
    • 服务器可能还有数据要发送，不能立即关闭。
    • 服务器处理完数据后主动关闭（第三次挥手）→ 客户端确认（第四次挥手）。
如果改成三次挥手?
  • 服务器没有需要发送的消息时，可能会退化为三次挥手。
  • 但是如果将所有的四次挥手改为三次挥手会导致：
    • 服务器无法在确认客户端 FIN 后继续发送剩余数据。
    • 可能造成数据丢失或不完整关闭。
为什么客户端需要 TIME_WAIT 状态？
  • 等待 2MSL（Maximum Segment Lifetime，报文最大生存时间），确保：
    • 服务器收到最后的 ACK（如果丢失，服务器会重传 FIN）。
    • 让网络中残留的旧 TCP 报文失效，避免影响新连接。
    • 默认 2MSL 时间：Linux 通常为 60 秒，Windows 为 4 分钟。
为什么服务器需要 CLOSE_WAIT 状态？
  • 允许服务器处理剩余数据
    当客户端发送 FIN 请求关闭连接时，服务器可能仍有数据需要发送（如未传完的文件、数据库查询结果等）。
    CLOSE_WAIT 状态让服务器有机会继续发送剩余数据，而不是立即关闭连接。
  • 确保应用程序正确释放资源
    服务器需要等待应用程序（如 HTTP 服务器、数据库服务）处理完所有逻辑后，主动调用 close() 或 shutdown() 来发送自己的 FIN。

如果直接跳过 CLOSE_WAIT，可能导致：数据丢失（如未发送完的响应）和资源泄漏（如未关闭的文件句柄、数据库连接）。

CLOSE_WAIT 可能引发的问题

连接泄漏（大量 CLOSE_WAIT 堆积）
原因：服务器应用程序未正确调用 close()，导致 CLOSE_WAIT 状态长期存在。
后果：占用系统资源（文件描述符、内存）。最终导致服务器无法接受新连接（Too many open files）。

TCP的拥塞控制

慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复

  1. 慢启动（Slow Start）
    目的：初始阶段快速探测可用带宽。
    规则：初始拥塞窗口（cwnd）通常为 1 MSS（Maximum Segment Size）。每收到一个 ACK，cwnd 指数增长（cwnd *= 2）。直到 cwnd 达到慢启动阈值（ssthresh）或发生丢包。
  2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）
    目的：接近网络容量时转为线性增长，避免激进引发拥塞。
    规则：当 cwnd >= ssthresh 时，每 RTT（往返时间）cwnd += 1 MSS。增长速率从指数变为线性。
  3. 快速重传（Fast Retransmit）
    目的：避免等待超时，快速恢复丢失的包。
    规则：如果发送方收到 3 个重复 ACK（DupACK），立即重传丢失的包。无需等待超时计时器（RTO）到期。
  4. 快速恢复（Fast Recovery）
    目的：在快速重传后避免重置 cwnd，保持较高吞吐量。
    规则：发生快速重传后，ssthresh = cwnd / 2，cwnd = ssthresh + 3 MSS。每收到一个 DupACK，cwnd += 1 MSS（允许发送新数据）。收到新数据的 ACK 后，退出快速恢复，进入拥塞避免阶段。

TCP和UDP的区别

  • TCP：面向连接，需三次握手建立可靠通道。确保数据可靠传输（确认、重传、排序）。通过滑动窗口和拥塞算法（如慢启动）优化传输。头部较大（至少20字节），延迟较高。字节流模式，无固定边界。
  • UDP：无连接，直接发送数据包。不保证可靠性，可能丢包或乱序。无控制机制，全速发送。头部仅8字节，开销小，延迟低。：保留数据报边界，接收与发送一致。

TCP的粘包和拆包

  • 粘包 (Packet Sticking)
    定义：发送方发送的多个数据包被接收方当作一个数据包接收

  • 拆包 (Packet Splitting)
    定义：发送方发送的一个数据包被接收方拆分成多个数据包接收

产生原因

  • 共同原因

    • TCP是面向流的协议：没有消息边界概念，数据被视为字节流
    • 滑动窗口机制：为提高效率可能合并或拆分数据包

  • 粘包特定原因

    • Nagle算法：合并小包减少网络传输次数
    • 发送方快速连续发送小包：内核缓冲区可能合并

  • 拆包特定原因

    • 数据包大于MSS(最大报文段长度)：TCP必须拆分
    • 数据包大于接收缓冲区：应用层读取时可能分多次
    • 网络设备限制：某些网络设备对包大小有限制

解决方案

  1. 消息定长法：每个消息固定长度，不足补位
  2. 分隔符法：使用特殊字符作为消息边界
  3. 长度前缀法：在消息前添加长度字段，通常使用固定字节表示长度(如4字节)

HTTP相关

HTTP/1.0

  • 特点
    短连接：每个请求/响应后关闭 TCP 连接（高延迟）。
    无状态：每次请求需携带完整头部（无 Host 字段，无法支持虚拟主机）。
  • 基础功能：支持 GET、POST、HEAD 方法。
  • 缺点
    性能差：频繁建立 TCP 连接，高延迟。
    无 Host 头：无法区分同一 IP 的不同域名。

HTTP/1.1

  • 改进
    持久连接（Keep-Alive）：默认复用 TCP 连接，减少握手开销。
    管道化（Pipelining）：允许连续发送多个请求（但响应必须按序返回，易阻塞）。
    Host 头：支持虚拟主机（一个 IP 托管多个网站）。
    分块传输（Chunked Encoding）：支持流式传输大文件。
    缓存控制：新增 Cache-Control、ETag 等头部。
  • 缺点
    队头阻塞（Head-of-Line Blocking）：同一连接中，前一个请求未完成会阻塞后续请求。
    头部冗余：每次请求携带重复头部（如 Cookie、User-Agent）。

HTTP/2

  • 改进
    二进制协议：替代文本格式，解析更高效。
    多路复用（Multiplexing）：单个连接并行传输多个请求/响应，解决队头阻塞。
    头部压缩（HPACK）：减少冗余头部大小。
    服务器推送（Server Push）：服务器可主动推送资源（如 CSS/JS）。
    流优先级：允许设置请求优先级。
  • 缺点
    仍依赖 TCP：TCP 层的队头阻塞问题未解决（如丢包导致所有流等待重传）。
    握手延迟：TLS 非强制（但主流浏览器要求 HTTPS）。

HTTP/3

  • 改进
    基于 QUIC 协议：运行在 UDP 上，替代 TCP。
    0-RTT 握手：减少连接建立时间。
    内置加密：默认使用 TLS 1.3。
    解决 TCP 队头阻塞：每个流独立传输，丢包不影响其他流。
    改进的多路复用：更高效的资源并行加载。
  • 缺点
    部署复杂：需要服务器和客户端支持 QUIC（如 Cloudflare、Nginx 已支持）。
    UDP 被某些网络限制：可能被防火墙拦截。

HTTPS（HTTP + TLS/SSL）

  • 特点
    加密传输：使用 TLS/SSL 加密数据，防止窃听和篡改。
    身份验证：通过证书验证服务器身份。
    混合加密：非对称加密（握手） + 对称加密（数据传输）。
  • 与 HTTP 的关系
    可搭配任何 HTTP 版本（如 HTTPS/1.1、HTTPS/2）。
    HTTP/3 默认加密（QUIC 内置 TLS 1.3）。

HTTPS 连接建立流程

  1. TCP 三次握手
    客户端与服务器建立 TCP 连接（SYN → SYN-ACK → ACK）。
  2. TLS 握手
    • Client Hello：客户端发送支持的加密算法列表和随机数（Client Random）。
    • Server Hello：服务器选择加密算法，返回随机数（Server Random）和数字证书（含公钥）。
    • 验证证书：客户端用 CA 公钥验证证书真实性。
    • 密钥交换：
      • 客户端生成 Pre-Master Key，用服务器公钥加密后发送。
      • 双方通过 Client Random + Server Random + Pre-Master Key 生成会话密钥（对称加密密钥）。
  3. 加密通信
    使用会话密钥加密传输 HTTP 数据，防止窃听和篡改。

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以下是对 BackgroundTask::Schedule 函数代码的详细解释&#xff1a; void BackgroundTask::Schedule(std::function<void()> callback) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);if (active_tasks_ > 30) {int free_sram heap_caps_get_free_size(MALLOC_…...

编程日记 2025/7/2 1:34:32

C++学习之路：深入理解变量

目录 编程的本质变量的本质内存模型、变量名与值以及地址的关系数据类型C数据类型数据类型别名数据类型转换 变量作用域总结 编程的本质 编程的本质是什么&#xff1f;虽然程序里能实现很多复杂的逻辑&#xff0c;但是从底层的硬件上来看&#xff0c;编程的本质就是数据的搬移。…...

编程日记 2025/7/4 1:33:49

前端基础知识汇总

目录 HTML5详解&#xff08;结构层&#xff09; 什么是HTML HTML基本结构 网页基本信息 图像标签 链接标签 超链接 行内元素与块元素 列表标签 表格标签 页面结构分析 iframe内联框架 表单语法 表单元素格式 表单的简单应用 表单初级验证 CSS详解&#xff08;…...

编程日记 2025/7/2 15:15:28

2024蓝桥杯省赛C/C++大学B组 题解

文章目录 2024蓝桥杯省赛C/C大学B组A 握手问题&#xff08;5分&#xff09;B 小球反弹&#xff08;5分&#xff09;C 好数&#xff08;10分&#xff09;D R 格式&#xff08;10分&#xff09;E 宝石组合&#xff08;15分&#xff09;F 数字接龙&#xff08;15分&#xff09;G 爬…...

编程日记 2025/7/2 14:20:18

BIM/I-FGSM对抗样本生成算法实现（pytorch版）

BIM/I-FGSM对抗样本生成算法 一、理论部分1.1 核心思想1.2 数学形式1.3 BIM 的优缺点1.4 BIM 与 FGSM、PGD 的关系1.5 实际应用建议二、代码实现2.1 导包2.2 数据加载和处理2.3 网络构建2.4 模型加载2.5 生成对抗样本2.6 攻击测试2.7 启动攻击2.8 效果展示一、理论部分 1.1 核心…...

编程日记 2025/7/5 8:02:23

前沿科技：从Gen2到Gen3—Kinova轻型机械臂的技术升级路径

Kinova品牌在轻型机械臂行业中以其轻量化、灵活性和高精度的技术特点而知名。其产品线广泛适用于医疗、科研和工业等多个领域&#xff0c;对机器人技术的进步起到了积极的推动作用。Kinova轻型机械臂凭借其精良的设计和稳定的性能&#xff0c;为用户提供了高效且可靠的解决方案…...

编程日记 2025/6/29 18:08:12

智研咨询：2025DeepSeek技术全景解析重塑全球AI生态的中国力量｜附下载方法

导 读INTRODUCTION 随着人工智能技术的飞速发展&#xff0c;AI大模型已成为推动行业进步的重要力量。智研咨询最新发布的《DeepSeek技术全景解析重塑全球AI生态的中国力量》报告&#xff0c;深入探讨了DeepSeek公司在AI领域的突破性成就及其对全球AI生态的深远影响。 如果感兴…...

编程日记 2025/6/28 5:32:39

超导量子计算机编程实战：IBM Qiskit 2025新API详解

一、量子计算平台演进与Qiskit 2025定位 1.1 IBM量子硬件发展路线 2025年IBM将实现三大技术突破&#xff1a; 量子体积&#xff1a;新一代"Goldeneye"处理器达到QV 8192相干时间&#xff1a;超导量子比特寿命突破500μs互联规模&#xff1a;模块化架构支持万级量子…...

编程日记 2025/6/30 16:10:55

斐波那契数列----C语言

关于斐波那契 已知&#xff1a; 问题背景&#xff1a;一对兔子从第3个月开始每月生一对新兔子&#xff0c;新兔子同样在第3个月开始繁殖。 关键观察&#xff1a; 第1个月&#xff1a;1对&#xff08;初始兔子&#xff09;。 第2个月&#xff1a;1对&#xff08;未成熟&#…...

编程日记 2025/7/3 4:12:35

打开pycharm显示编制索引后卡死

若项目中包含过多文件&#xff0c;PyCharm 启动后会进行自动索引&#xff0c;电脑性能不高时往往会导致崩溃&#xff08;主要是内存问题&#xff09;。以下为解决措施。 ✅ 1. 仅索引代码&#xff0c;排除文件 设置PyCharm 主要索引代码文件&#xff08;.py、.ipynb&#xff…...

编程日记 2025/6/27 6:13:45

AWS云安全全面详解：从基础防护到高级威胁应对

随着企业加速向云端迁移，AWS作为全球最大的云服务提供商之一，其安全性成为用户首要关注的问题。本文将深入剖析AWS云安全架构，从基础防护到高级威胁应对，帮助您构建全方位的云安全防线。 一、AWS安全责任共担模型 在深入探讨AWS具体安全措施前，首先需要理解AWS的安全责任…...

编程日记 2025/6/29 5:50:21

【C++重点】虚函数与多态

在 C 中&#xff0c;虚函数是实现多态的基础。多态是面向对象编程的重要特性之一&#xff0c;允许程序在运行时决定调用哪一个函数版本。通过虚函数&#xff0c;我们能够实现动态绑定&#xff0c;使得不同类型的对象可以通过相同的接口进行操作。 1 静态绑定与动态绑定 静态绑…...

编程日记 2025/7/1 8:52:35

算法学习之BFS

关于BFS我的理解是根据离我们当前这个点的权重来移动&#xff0c;这里权重也可以理解为离这个点的距离&#xff0c; 从起点开始&#xff0c;往前走一步&#xff0c;记录下所有第一步能走到的点开始&#xff0c;然后从所有第一部能走到的点开始向前走第二步&#xff0c;重复下去…...

编程日记 2025/6/28 3:02:00

每日小积累day1

网络&#xff1a; g是用来检测网络联通性的的诊断工具&#xff0c;使用的协议是ICMP 显示数据包括 ICMP数据&#xff1a;序列号&#xff0c;存活时间&#xff08;TTL&#xff09; 目标主机域名IP 往返时间&#xff08;RTT&#xff09; 统计数据&#xff08;平均RTT等等&a…...

编程日记 2025/7/4 23:17:17