备战Java面试[计算机网络篇] -- 计网准备面试,看这些知识就够了

1.网络协议分层

为了使不同体系结构的计算机网络都能互联，国际标准化组织 ISO 于1977年提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架，即著名的开放系统互联基本参考模型 OSI/RM，简称为OSI。

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用，TCP/IP 体系结构则不同，但它现在却得到了非常广泛的应用。TCP/IP 是一个四层体系结构，它包含应用层，运输层，网际层和网络接口层（用网际层这个名字是强调这一层是为了解决不同网络的互连问题），不过从实质上讲，TCP/IP 只有最上面的三层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容，因此在学习计算机网络的原理时往往采用折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构，这样既简洁又能将概念阐述清楚，有时为了方便，也可把最底下两层称为网络接口层。

四层协议，五层协议和七层协议的关系如下：

• TCP/IP是一个四层的体系结构，主要包括：应用层、运输层、网络层、网络接口层
• 五层协议的体系结构主要包括：应用层、运输层、网络层，数据链路层和物理层。
• OSI七层协议模型主要包括是：应用层（Application）、表示层（Presentation）、会话层（Session）、运输层（Transport）、网络层（Network）、数据链路层（Data Link）、物理层（Physical）。
  

2.TCP/IP 协议族

应用层

应用层( application-layer ）的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程（进程：主机中正在运行的程序）间的通信和交互的规则。

典型设备：应用程序

协议

• FTP：文件传输协议<21>，减少或消除不同操作系统下处理文件的不兼容性
• SSH/TLS：安全外壳协议
• SMTP/POP3：用于发送/接收邮件
• HTTP：超文本传输协议<80>，面向事务的应用层协议

传输层

运输层(transport layer)的主要任务就是负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。

典型设备：进程和端口

数据单元：数据段

协议

• 传输控制协议-TCP：提供面向连接的，可靠的数据传输服务。
• 用户数据协议-UDP：提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。

	UDP	TCP
是否连接	无连接	面向连接
是否可靠	不可靠传输， 不使用流量控制和拥塞控制	可靠传输，使用流量控制和拥塞控制
连接对象个数	支持一对一， 一对多喝多对多交互通信	只能是一对一通信
传输方式	面向报文	面向字节流
首部开销	开销小，仅8字节	最小20字节，最大60字节
应用场景	适用实时应用（IP电话、视频会议、直播等）	适用要求可靠的传输的应用， 例如文件传输

每一个应用层（TCP/IP参考模型的最高层）协议一般都会使用到两个传输层协议之一：

运行在TCP协议上的协议：

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），主要用于普通浏览。
• HTTPS（HTTP over SSL，安全超文本传输协议）,HTTP协议的安全版本。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议），用于文件传输。
• POP3（Post Office Protocol, version3，邮局协议），收邮件用。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议），用来发送电子邮件。
• TELNET（Teletype over the Network，网络电传），通过一个终端（terminal）登陆到网络。
• SSH（Secure Shell，用于替代安全性差的TELNET），用于加密安全登陆用。

运行在UDP协议上的协议：

• BOOTP（Boot Protocol，启动协议），应用于无盘设备。
• NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），用于网络同步。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），动态配置IP地址。

运行在TCP和UDP协议上：

• DNS（Domain Name Service，域名服务），用于完成地址查找，邮件转发等工作。

网络层

网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保计算机通信的数据及时传送。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报 ，简称数据报。

典型设备：路由器、防火墙、多层交换机

数据单元：数据包(IP数据报）

协议

• IP：网络之间互连的协议
• ARP：地址解析协议，实现通过IP地址得知其物理地址
• ICMP：Internet控制报文协议，在IP主机、路由器之间传递控制消息
• RIP：路由信息协议
• BGP：边界网关协议

数据链路层

数据链路层(data link layer)通常简称为链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议。

典型设备：网卡、网桥、交换机

数据单元：帧

协议

• ARQ：自动重传请求协议，错误纠正协议（停止等待ARQ协议和连续ARQ协议）
• 停止等待协议：CSMA/CD：总线型网络，载波监听、碰撞检测
• PPP：点对点协议
• 校验方法：循环冗余校验CRC

在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如，同步信息，地址信息，差错控制等）。

在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。

一般的web应用的通信传输流是这样的：

发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层时会被打上一个该层所属的首部信息。反之，接收端在层与层之间传输数据时，每经过一层时会把对应的首部信息去除。

物理层

物理层(physical layer)的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的。

典型设备：中继器、集线器、网线等

数据单元：比特bit

TCP/IP 协议族

在互联网使用的各种协议中最重要和最著名的就是 TCP/IP 两个协议。现在人们经常提到的 TCP/IP 并不一定是单指 TCP 和 IP 这两个具体的协议，而往往是表示互联网所使用的整个 TCP/IP 协议族。

互联网协议套件（英语：Internet Protocol Suite，缩写IPS）是一个网络通讯模型，以及一整个网络传输协议家族，为网际网络的基础通讯架构。它常被通称为TCP/IP协议族（英语：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），简称TCP/IP。因为该协定家族的两个核心协定：TCP（传输控制协议）和IP（网际协议），为该家族中最早通过的标准。

划重点：

TCP（传输控制协议）和IP（网际协议） 是最先定义的两个核心协议，所以才统称为TCP/IP协议族

2.TCP建立连接(三次握手)

• TCP 提供面向有连接的通信传输。面向有连接是指在数据通信开始之前先做好两端之间的准备工作。

• 所谓三次握手是指建立一个 TCP 连接时需要客户端和服务器端总共发送三个包以确认连接的建立。在socket编程中，这一过程由客户端执行connect来触发。

• 下面来看看三次握手的流程图：
  
  三次握手:

• 第一次握手：客户端将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给服务器端，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器端确认。

• 第二次握手：服务器端收到数据包后由标志位SYN=1知道客户端请求建立连接，服务器端将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给客户端以确认连接请求，服务器端进入SYN_RCVD状态。

• 第三次握手：客户端收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给服务器端，服务器端检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，客户端和服务器端进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后客户端与服务器端之间可以开始传输数据了。

3.TCP断开连接(四次挥手)

• 四次挥手即终止TCP连接，就是指断开一个TCP连接时，需要客户端和服务端总共发送4个包以确认连接的断开。在socket编程中，这一过程由客户端或服务端任一方执行close来触发。
• 由于TCP连接是全双工的，因此，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。
• 下面来看看四次挥手的流程图：
  

四次挥手:

• 中断连接端可以是客户端，也可以是服务器端。
• 第一次挥手：客户端发送一个FIN=M，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。意思是说"我客户端没有数据要发给你了"，但是如果你服务器端还有数据没有发送完成，则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。
• 第二次挥手：服务器端收到FIN后，先发送ack=M+1，告诉客户端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的FIN报文。
• 第三次挥手：当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=N报文，告诉客户端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。服务器端进入LAST_ACK状态。
• 第四次挥手：客户端收到FIN=N报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，所以发送ack=N+1后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端已正常关闭，那好，我客户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。

上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情，

具体流程如下图：

4.TCP 协议是如何保证可靠传输的？

1. 数据包校验：目的是检测数据在传输过程中的任何变化，若校验出包有错，则丢弃报文段并且不给出响应，这时 TCP 发送数据端超时后会重发数据；

2. 对失序数据包重排序：既然 TCP 报文段作为 IP 数据报来传输，而 IP 数据报的到达可能会失序，因此 TCP 报文段的到达也可能会失序。TCP 将对失序数据进行重新排序，然后才交给应用层；

3. 丢弃重复数据：对于重复数据，能够丢弃重复数据；

4. 应答机制：当 TCP 收到发自 TCP 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒；

5. 超时重发：当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段；

6. 流量控制：TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。TCP 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据，这可以防止较快主机致使较慢主机的缓冲区溢出，这就是流量控制。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。

5.谈谈你对停止等待协议的理解？

停止等待协议是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组；在停止等待协议中，若接收方收到重复分组，就丢弃该分组，但同时还要发送确认。主要包括以下几种情况：无差错情况、出现差错情况（超时重传）、确认丢失和确认迟到、确认丢失和确认迟到。

6.谈谈你对 ARQ 协议的理解？

自动重传请求 ARQ 协议

停止等待协议中超时重传是指只要超过一段时间仍然没有收到确认，就重传前面发送过的分组（认为刚才发送过的分组丢失了）。因此每发送完一个分组需要设置一个超时计时器，其重传时间应比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。这种自动重传方式常称为自动重传请求 ARQ。

连续 ARQ 协议

连续 ARQ 协议可提高信道利用率。发送方维持一个发送窗口，凡位于发送窗口内的分组可以连续发送出去，而不需要等待对方确认。接收方一般采用累计确认，对按序到达的最后一个分组发送确认，表明到这个分组为止的所有分组都已经正确收到了。

7.谈谈你对滑动窗口的了解？

TCP 利用滑动窗口实现流量控制的机制。滑动窗口（Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。

TCP 中采用滑动窗口来进行传输控制，滑动窗口的大小意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于接收数据。发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为 0 时，发送方一般不能再发送数据报，但有两种情况除外，一种情况是可以发送紧急数据，例如，允许用户终止在远端机上的运行进程。另一种情况是发送方可以发送一个 1 字节的数据报来通知接收方重新声明它希望接收的下一字节及发送方的滑动窗口大小。

谈下你对流量控制的理解？

TCP 利用滑动窗口实现流量控制。流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

8.谈下你对 TCP 拥塞控制的理解？使用了哪些算法？

1.拥塞控制和流量控制不同，前者是一个全局性的过程，而后者指点对点通信量的控制。在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫拥塞。

2.拥塞控制就是为了防止过多的数据注入到网络中，这样就可以使网络中的路由器或链路不致于过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。相反，流量控制往往是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做到的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。

3.为了进行拥塞控制，TCP 发送方要维持一个拥塞窗口(cwnd) 的状态变量。拥塞控制窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。发送方让自己的发送窗口取为拥塞窗口和接收方的接受窗口中较小的一个。

4.TCP 的拥塞控制采用了四种算法，即：慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。在网络层也可以使路由器采用适当的分组丢弃策略（如：主动队列管理 AQM），以减少网络拥塞的发生。

• 慢开始：

慢开始算法的思路是当主机开始发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么可能会引起网络阻塞，因为现在还不知道网络的符合情况。经验表明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。cwnd 初始值为 1，每经过一个传播轮次，cwnd 加倍。

• 拥塞避免：

拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口 cwnd 缓慢增大，即每经过一个往返时间 RTT 就把发送方的 cwnd 加 1,而不是加倍，这样拥塞窗口按线性规律缓慢增长。

• 快重传与快恢复：

1️⃣快重传: 接收方在收到一个 失序的报文段 后就立即发出 重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方）而不要等到自己发送数据时捎带确认。快重传算法规定，发送方只要一连收到三个重复确认就应当立即重传对方尚未收到的报文段，而不必继续等待设置的重传计时器时间到期

2️⃣快恢复: 当发送方连续收到三个重复确认时，就执行“乘法减小”算法，把ssthresh门限减半，但是接下去并不执行慢开始算法：因为如果网络出现拥塞的话就不会收到好几个重复的确认，所以发送方现在认为网络可能没有出现拥塞。所以此时不执行慢开始算法，而是将cwnd设置为ssthresh的大小，然后执行拥塞避免算法。