计算机网络面试问题笔记

计算机网络面试问题笔记

tk_sky 92 2024-04-08

计算机网络面试问题笔记

网络模型

TCP/IP 模型？

从上到下分为四层：

  • 应用层：直接为用户提供的各种服务，定义了应用进程间的通信规则，如 HTTP、FTP 等
  • 传输层：为应用层实体提供端到端、通用的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。协议包括 TCP、UDP 等。
  • 网络层：解决主机到主机之间的路由问题，包括 IP、ICMP 等。
  • 链路层：负责相邻物理节点的可靠数据传输，协议包括 ARP 等。

OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型差别？

  • OSI 将 TCP/IP 的应用层分为了会话层、表示层和应用层
  • OSI 将物理层单独列为一层
  • OSI 的网络层既提供面向连接的服务，又提供无连接的服务；TCP/IP 的网络层纸提供无连接的网络服务
  • OSI 的传输层只提供面向连接的服务；TCP/IP 的传输层既提供面向连接的 tcp 又提供无连接的 udp。

重要协议和概念

一些重要协议？

  • DNS：应用层协议，用于映射域名和 IP 地址
  • DHCP：应用层协议，动态分配 IP 地址。
  • IP：网络层协议，用于分组交换数据网络，功能包括寻址、路由、尽最大努力交付包等。
  • ICMP：网络层协议，互联网控制消息协议，用于返回通信环境的错误信息。traceroute 和 ping 都基于 ICMP。例如 traceroute 是通过特殊 TTL 的包接收 ICMP 超时消息和不可达消息实现的。
  • RIP：路由信息协议，网络层协议，是一种内部网关协议（IGP），通过距离向量实现。
  • OSPF：开放式最短路优先，网络层协议，是一种内部网关协议（IGP），通过 dijkstra 实现。
  • BGP：边界网关协议，网络层协议，是一种域间路由协议，用于网络间网关的路由
  • ARP：地址解析协议，链路层协议，通过 IP 寻找 MAC 地址。因为用到 IP，所以也有说是网络层协议。

一些重要概念？

  • 集线器：物理层硬件，连接所有线路、广播所有信息。
  • 网桥、交换机：链路层硬件，隔离端口、根据 MAC 转发。
  • 路由器：网络层的硬件，根据 IP 寻址。
  • 不同协议的数据单元：
    • 物理层：Bit
    • 链路层：帧 Frame
    • 网络层：分组、数据包 Packet
    • 传输层：数据段
  • MSL：报文最大生存时间，是TCP报文在网络上存在的最大时间，超过报文会被丢弃。
  • TTL：IP 数据报在网络中可以存活的总跳数，如果跳太多就会被丢弃，同时产生一个 ICMP 报文通知源主机。
  • RTT：客户端到服务端往返的时间，由 TCP 动态地估算。

TCP

TCP 头格式？

TCO头格式如下：

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可以看出几个要点：

  • TCP 的包没有 IP 地址，因为那是 IP 层的事，只包含源端口和目的端口。
  • Sequence Number 是包的序号，解决乱序问题
  • Acknowledge Number 就是 ACK，用于确认收到，解决丢包的问题
  • Window：滑动窗口，解决流量控制问题
  • TCP flag：标记包的类型，用于操控 tcp 状态机。

TCP 的流量控制？

流量控制的目的是控制发送端的发送速度，使其按照接收端的数据处理速度来发送数据，避免接收端处理不过来，产生拥塞或丢包。

流量控制的实现方式是引入滑动窗口，发送端和接收端各维护一个，对应一个缓冲区，记录当前发送或收到的数据。接收端会在返回的 ACK 报文里包含自己可用于接收数据的缓冲区的大小，在首部的 window （16位，最高65535字节）里表示。发送端发送的数据不会超过 window 的大小。具体来说，发送方会维护三个指针，分别表示已发未确认的位置、当前发送到的位置、当前允许发送的最前位置，第一个和第三个指针之间的就是滑动窗口，第二个指针只能在窗口内移动（发新的报文)，第一和第三个指针同步移动。

TCP 的拥塞控制？

当等待接收端的 ACK 超时或者收到乱序包时，说明网络出现了拥塞。发送端会维护一个拥塞窗口 cwnd，拥塞窗口大小取决于网络的拥塞程度动态变化。

连接建立时，初始化 cwnd =1，进入慢启动状态，每收到一个 ACK 窗口++，每经过一个 RTT 窗口翻倍（指数增长）。当窗口增长超过一个阈值，会进入拥塞避免阶段。

在拥塞避免阶段，每收到一个 ACK 包， cwnd += 1/cwnd，会以曲线形式不断试探网络的上限。如果发送端超时未收到 ACK，就认为网络出现了堵塞，进入超时重传阶段。

超时出现后，立即把窗口增长阈值设为当前拥塞窗口的一半，窗口大小重置为1，又开始慢启动过程。

除此之外，tcp 还有一个快速重传和快速恢复的机制。接收端在收到乱序包的时候就会发送 duplicate ACK 通知发送端， 发送端接收到三个重复的 ACK 时就会立刻开始重传，而不用等到计时器超时，同时会配合快速恢复，将阈值设为当前拥塞窗口的一半，并将窗口大小重置为阈值，开始拥塞避免过程。

TCP 标志位？

TCP 标志位标志了请求的目的：

  • SYN：同步标志，用来建立连接。请求连接和确认连接请求时，SYN=1.
  • ACK：确认标志，表示确认收到请求。
  • FIN：结束标志，表示关闭一个 tcp 连接
  • PSH：表示推送操作，就是指数据包到达接收端后不对齐进行队列处理，而是尽可能给的将数据交给应用程序处理
  • RST：重置复位标志，用于复位对应的 TCP 连接
  • URG：紧急标志，用于保证 TCP 不被中断，督促中间设备尽快处理。

为什么是三次握手？

  • 如果是两次握手，服务端发送确认报文后，客户端有可能没有收到，但服务端已进入连接状态，导致服务器资源浪费。
  • 如果是四次握手，因为使用三次握手是建立连接的最少次数，所以没必要加入第四次。
  • 第一次握手服务端确认了客户端的发送和自己的接收功能；第二次握手客户端确认了服务端的接收、发送和自己的接收、发送功能，客户端认为连接已建立；第三次握手服务端确认了客户端的接收功能和自己的发送功能，服务端认为连接已建立。

SYN 攻击和如何防范？

SYN 攻击是 DDOS 的一种，利用了 tcp 协议的缺陷，发送大量随机伪造的 IP 的第一次握手请求，使得服务器进入半连接状态并向虚假的 IP 地址发送第二次握手。由于地址是虚拟的，服务器会维持半连接状态并重试发送直到超时。这些伪造的 SYN 包大量占用未连接队列，影响正常请求。

对于防范方法，只能通过引入网关、防火墙，或者增加允许的半连接数上限、降低半连接超时时间等方法减小危害，除非修改协议，否则不能完全杜绝。

为什么需要四次挥手？

因为 tcp 是全双工的，一方关闭连接后另一方仍然可以发送数据。所以四次挥手是把断开连接分成两个独立的部分。

为什么第四次挥手后客户端的 time-wait 状态要持续到 2MSL 以后？

  • 确保 ACK 能到达服务端，使服务端能正确关闭

MSL 是报文段在网络上存活的最大时间。2 MSL 即客户端报文超时+服务端报文重传，这样才能够收到服务器重传的 FIN 报文、重置 2MSL 计时器、重传 ACK 报文，以确保服务端能够收到 ACK 报文并正确关闭连接。

  • 防止已失效的连接请求报文段出现在之后的连接中

在客户端发送最后一个 ACK 后，网络里仍然可能残留有之前的报文段，此时客户端仍然可以针对这些报文段发送 ACK。持续 2MSL 的 time-wait结束后，可以使得本连接产生的报文在网络内处理完毕，避免与后续连接产生混淆。即使后续收到了过时的报文也可以选择不处理。

注：time_wait 是主动断开连接的一方会进入的状态。

如果建连后客户端挂了怎么办？

TCP 设有一个保活计时器，若2小时都没有收到客户端的任何消息，服务器就开始重试，每隔 75 秒就发一个探测报文段，若连发10次都没有回应，就认为连接已经断开了。

TCP 握手和挥手至少需要几个RTT？

建连时，在第三次握手的时候就可以传递数据了，因此我们计时只计算前两次挥手，即一个来回，也就是一个RTT。

断连时总共四次挥手，所以至少需要两个RTT。

HTTP / HTTPS

HTTP 协议个版本特性？

  • HTTP/1.0：默认使用短连接，请求一个静态资源就建立一个连接
  • HTTP/1.1：默认支持长连接，打开一个网页期间所有请求都走一个连接；引入了额外的缓存控制机制；增加了更多错误码；引入了内容协商和响应分块（断点续传）；引入了管线化，允许客户端并行发送多个请求（但是服务端必须按顺序串行返回）。
  • HTTP/2.0：采用二进制格式传输，不再采用文本格式；对于 header 中相同的数据不会重复发送，从而做到 header 压缩；服务器可以对一个客户端请求返回多个响应，推送资源无需明确的请求；二进制分帧将信息分为若干个帧，引入流的概念支持了多路复用，同一个 tcp 连接可以同时交错发送多个消息的帧，从而实现双向的并行传输。
  • HTTP/3.0 / QUIC：虽然 http/2 解决了很多问题，但在移动互联网时代，连接地址经常更换，tcp 的四元组（源和目的IP、端口）变化时就需要重新建连，导致大量开销；虽然 http 协议的复用阻塞解决了，但是 tcp 的队头阻塞没有解决，所有的流都在一条 tcp 上，如果某个流的某个包丢包，这个包后面所有的其他流的数据都不能被读取。除此之外，还有一些流优先级的问题。这些问题不能通过修改 http 解决，只能替换 tcp，因此引入了 QUIC 来替换 tcp。QUIC 底层采用 udp，不再维护基于IP-端口四元组的连接，而是使用缓存的 connection ID，这样网络切换后也可以不建连恢复到之前的连接。同时 QUIC 依然和 tcp 一样通过 ACK 机制实现可靠传输、流量控制、拥塞控制等功能。QUIC 取代了之前 tcp+TSL 的叠加模式所需要的 3个 RTT，第一次建连之后使用缓存的秘钥通信，这样之后客户端第一次握手就可以传递应用数据，实现所谓 0-RTT 握手。

数字签名和数字证书是什么？

使用公私钥的系统中，客户端需要向服务端申请公钥，服务端保留私钥，然后使用这个公钥来和服务端通信，这样只要私钥不泄露，客户端->服务端的通信就是保密的。但是由于中间网络是不可控的，数据有可能会被篡改，所以需要引入数字签名，也就是一个被公钥加密过的 数据的hash值，来验证消息是否被修改过。客户端用公钥解密、验证哈希值匹配，就说明没有被篡改。

但是还有个问题，如果一开始客户端申请公钥时就被篡改，那客户端有可能就会拿着假的公钥一直和假的服务端发信了。因此，需要引入一种方法来确保公钥的真实性。这时候就需要引入证书中心 CA，服务端找证书中心为公钥做认证，证书中心用自己的私钥对服务端的公钥和一些相关信息（网址）一起加密，生成数字证书。之后服务端发信时同时附带数字签名和数字证书，客户端拿到以后用 CA 的公钥解开证书，比对要访问的网址和证书的记录和过期时间，就可以确认是否是正确的公钥了。

那么如何保证客户端获得的 CA 的公钥就不被篡改呢？这时候就需要引入根证书，这种证书是在浏览器或者操作系统本地固定储存的，不会经过网络，且只保存一些受信的CA。同时根证书也会定期刷新，避免私钥被暴力破解。

SSL/TLS 握手的详细过程？

  • 客户端向服务端发起加密通信请求 clientHello，向服务端提供支持的协议版本、一个客户端生成的随机数、之后用到的对称加密和压缩的方法等。
  • 服务端回应 serverHello，包含确认使用的通信版本、一个服务器生成的随机数、确认的对称加密方法以及服务器证书。如果采用双端验证，即服务端也需要验证客户端身份，会再加入一个请求要求客户端提供客户端证书。
  • 客户端收到证书后会进行验证，判定其是否是可信机构发布、证书的域名与实际域名是否一致、证书是否已过期，然后从证书中取出公钥，用公钥加密向服务器继续发信，包括一个随机数、编码改变通知、客户端握手结束通知（同时也是前面内容的哈希值）。自此，两边都有了三个不同主机生成的随机数（之所以用三个，是为确保至少有一方生成的随机数是随机的，这样会话密钥才是随机的）。
  • 服务端收到第三个随机数后，就可以生成本次会话所用的会话密钥，然后向客户端发送编码改变通知和服务器握手结束通知（也是前面内容的哈希值）。至此握手阶段结束，之后的通信就采用协商好的对称加密算法，以三个随机值导出的会话密钥为 key 进行加密通信。

其他

从输入一个 URL 到页面加载完成的过程？

一个经典的计网面试题，既有广度又有深度，字节三面被问过。

  • 整体流程：

    用户按下回车，浏览器会新开一个网络线程，发起HTTP请求；

    浏览器会进行 DNS 查询，将域名解析为 IP 地址；

    浏览器获得 IP 地址后向服务器请求建立 TCP 连接；

    浏览器向服务器发起 HTTP请求；

    服务器处理请求，返回 HTTP 响应；

    浏览器渲染进程解析并绘制页面。

  • 应用层进行DNS查询，浏览器搜索自身和操作系统的DNS缓存，读取本地Host文件和向本地DNS服务器进行查询等。如果没有，则逐级向上层DNS服务器查询，直到根DNS服务器。

  • 应用层生成 HTTP 请求报文，包括首部和主体部分。

  • 传输层建立TCP连接，客户端打开一个 socket 与目标IP、端口建立 TCP 连接，进行三次握手；如果是 https，则再进行四次 SSL 握手。

  • 网络层使用 IP 协议栈选择路线，将来自传输层的数据段装入数据包，填充包头（IP地址、源地址），主要就是添加源和目的 IP 地址，然后发送数据。在数据传输的过程中，IP 协议负责选择传送的路线，称为路由。

  • 数据链路层实现网络相邻节点间的可靠传输，将数据包封装成帧，按顺序传送各帧，为其分别做冗余校验和出错重传。

  • 物理层将帧转换为二进制的比特流，以物理信号在介质中传输。

  • 服务器网卡收到数据，放入操作系统的接收队列，协议栈层层解包，借助 epoll 通知应用层服务器处理。服务器经过各种负载均衡或反向代理后转发到实际的服务器端口，生成响应报文，再一层层封装发送。

  • 最终客户端的浏览器收到报文并解析 html、绘制页面。

socket 通信流程？

参考 Linux 网络收包与 IO 多路复用 - tk_sky的博客 (mcyou.cc)

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