OSI七层模型 #

OSI七层模型一般指开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。

具体如下：

- 应用层：各种应用程序协议，比如 HTTP、HTTPS、FTP、SOCKS 安全套接字协议、DNS 域名系统、GDP 网关发现协议等。

- 表示层：加密解密、转换翻译、压缩解压缩，比如 LPP 轻量级表示协议。

- 会话层：不同机器上的用户建立和管理会话，比如 SSL 安全套接字层协议、TLS 传输层安全协议、RPC 远程过程调用协议等。

- 传输层：接收上一层的数据，在必要的时候对数据进行分割，并将这些数据交给网络层，保证这些数据段有效到达对端。比如TCP传输控制协议、UDP用户数据协议。

- 网络层：控制子网的运行：逻辑编址、分组传输、路由选择，比如 IP、IPV6、SLIP 等等。路由器工作在网络层。

- 数据链路层：物理寻址，同时将原始比特流转变为逻辑传输路线，比如 XTP 压缩传输协议、PPTP 点对点隧道协议等等。交换机工作在数据链路层。

- 物理层：机械、电子、定时接口通信信道上的原始比特流传输，比如 IEEE802.2 等等，会尽可能屏蔽传输媒介和通信手段的差异。

下面这张图详细将OSI七层模型详细地进行了总结（图片来源于网络），供同学们参考。

!OSI

传输控制协议 TCP #

传输控制协议-TCP：TCP是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，它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。TCP使用奇偶校验和来检验数据在传输过程中是否有误，在发送和接收时都要计算校验和。

 TCP/IP四层网络模型 

TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于OSI参考模型中的相应层。TCP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议协同工作。 TCP/IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能：

- 网络接口层：网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议，如ARP，RARP。
- 网际层：网际层对应OSI七层参考模型的网络层。负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网际控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息(常见的Ping命令)。
- 传输层对应OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务，UDP协议(User Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。
- 应用层对应OSI七层参考模型的应用层和表示层。

 TCP协议的三次握手🤝(重点) 

第一次握手：客户端发送SYN包(syn=x)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=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），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=y+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。 

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP连接都将被一直保持下去。

三次握手流程图如下：

!三次握手流程图

 为什么是三次握手？（不能是两次握手吗？） 

答：第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器，让服务器错误打开连接。客户端发送的连接请求可能会在网络中滞留，可能导致很长一段时间后才能收到服务器发回的ACK信息。若超过客户端的超时重传时间后，客户端就会重新请求连接。之前发送的滞留的连接请求最后还是会到达服务器，如果没有第三次握手，服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手，客户端就会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认，服务器也就不会再次打开连接。

 首次握手存在什么安全隐患？ 

答：SYN超时机制可能导致SYN Flood攻击。因为服务器收到客户端的SYN，回复SYN-ACK时没有收到ACK确认，服务器会不断进行重试直至超时，Linux默认等待63秒才断开连接，攻击者可能利用此机制发动SYN洪水，不断建立连接后断开，造成SYN队列满，让正常连接无法得到处理。

SYN Flood防护措施：SYN队列满后，通过tcp_syncookies参数回发SYN Cookie，若是正常连接则客户端会发回SYN Cookie，直接建立连接，而非法连接则不会。

 建立连接后客户端出现故障怎么办？ 

答：TCP设有保活机制。在keep alive time即保活时间内，开启保活功能的一端将向对方发送保活探测报文，如果未收到响应则继续发送。当尝试次数达到保活探测数时若仍未收到响应则中断连接。

 TCP协议的四次挥手👋🏻(重点) 

与建立连接的“三次握手”类似，断开一个TCP连接则需要“四次握手”。

第一次挥手：客户端发送释放连接的报文FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送。

第二次挥手：服务器收到客户端发送的FIN，发回客户端确认报文ACK，此时ACK=1，确认序号为收到的序号+1。此时，TCP连接处于半关闭状态。即服务器进入CLOSE_WAIT状态。

第三次挥手：服务器不再需要连接时，发送释放连接报文FIN给客户端，此时FIN=1，ACK=1。关闭与客户端的数据传送，服务器进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：客户端收到后发出确认，ACK=1，确认序号为收到序号+1，并进入TIME-WAIT状态，等待2MSL（最大报文存活时间）后释放连接。服务器端收到客户端的确认信息后立即释放连接。

 为什么是四次挥手？ 

答：因为全双工通信发送方和接收方都需要FIN报文和ACK报文。客户端发送了FIN释放连接报文后，服务器收到了这个报文，进入CLOSE-WAIT状态。这个状态是为了让服务器发送还未发送完成的数据，发送完毕后，服务器会发送FIN释放了连接报文。

 为什么还要等待2MSL后才释放连接？ 

答：

1. 确保有足够的时间让对方收到ACK包。如果服务器没收到客户端发送来的确认报文，就会重新发送释放连接报文，客户端等待2MSL就是为了处理这种情况的发生。

2. 可以避免新旧链接混淆。等待2MSL可以让该连接时间段内产生的所有报文都从网络中消失，使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

 服务器出现大量CLOSE_WAIT的原因是什么？怎么办？ 

答：可能是对方关闭Socket连接，我方忙于读或写，没有及时关闭连接。解决方法：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。

 TCP如何保证可靠传输？ 

- 发送方给每个包进行编号，接收方对数据包进行排序，再把有序数据交付给应用层。 

- TCP会保持首部和数据的校验和，目的是检测数据在传输过程中的变化，如果检验和有差错，TCP将丢弃这个报文段且不确认收到此报文段。

- 发送方每发完一个报文段就停止发送，等待接收方确认。收到接收方的确认后再发下一个报文段；如果不能及时收到确认，将发送方重发这个报文段。

- 流量控制：当接收方来不及处理发送方的数据，就会提示发送方降低发送速率。TCP利用滑动窗口实现流量控制。

- 拥塞控制：当网络拥塞时，会减少数据的发送。

 TCP的滑动窗口 

TCP使用滑动窗口做流量控制与乱序重排。发送方和接收方各有一个窗口，接收方通过TCP报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小，发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认，那么就将发送窗口向右滑动一定距离，直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态；接受窗口的滑动类似，接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机，就向右滑动接收窗口。接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认。发送方得到一个字节的确认后，就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

 TCP的拥塞控制 

如果网络出现拥塞，分组将会丢失，此时发送方会继续重传，导致网络拥塞程度更高。因此，当出现拥塞时，应当控制发送方的速率。流量控制是为了让接收方能来得及接收，而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。TCP主要通过四个算法来进行拥塞控制：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

 慢开始和拥塞避免 

慢开始让拥塞窗口大小为1，收到确认后，会将窗口大小翻倍（2,4,8...）慢开始有一个限制ssthresh，当拥塞窗口大小 >= ssthresh的一半时，会进入拥塞避免。

在拥塞避免中，ssthresh每次收到确认后不再是翻倍，而是+1。如果出现了超时，则ssthresh将设置为当前拥塞窗口的一半，然后重新执行慢开始。

 快重传和快恢复 

接收方会对最后一个收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到M 1和M 2，此时收到M 4，应当发送对M 2的确认。发送端如果收到了三个重复的确认，那么可以知道下一个报文段丢失，此时执行快重传，立即重传下一个报文段。例如收到3个M 2，则M 3丢失，立即重传M 3。在这种情况下，只是丢失个别报文段，而不是网络拥塞。因此执行快恢复：拥塞窗口大小设置为原来的一半，然后不再执行慢开始，直接进入拥塞避免。

用户数据报协议-UDP #

UDP即用户数据报协议，是一个无连接的简单的面向数据报的传输层协议。UDP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信息。由于其数据报头只有8个字节所以额外开销较小。吞吐量只受限于数据生成速率、传输速率以及机器性能。UDP会尽最大努力交付，但不保证可靠交付，无需维持复杂的链接状态表。它是面向报文的，不对应用程序提交的报文信息进行拆分或合并。

TCP和UDP的区别 #

它们的区别如下：

- TCP提供面向连接、可靠的数据传输服务；UDP提供无连接、最大努力的数据传输服务。
- TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。
- UDP支持一对一，一对多，多对一，多对多；TCP只支持一对一。
- UDP不具备有序性，TCP可保证有序性。

超文本传输协议-HTTP #

HTTP（HyperText Transfer Protocol），即超文本传输协议。是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的，但也可以用于其他目的。它基于 TCP/IP 通信协议来传递数据（HTML 文件、图片文件、查询结果等）。

 输入URL后会发生什么(重点) 

1. DNS解析：浏览器会根据URL逐层查询DNS缓存，解析URL的域名所对应的IP地址。

   > 注：DNS缓存由近到远依次是：浏览器缓存->系统缓存->路由器缓存->IPS服务器缓存->根域名服务器缓存->顶级域名服务器缓存。

2. 建立TCP连接：找到IP地址后，会根据IP地址和对应的端口（默认80），和服务器通过三次握手建立TCP连接。

3. 发送HTTP请求：浏览器会给服务器发送读取文件的HTTP请求。

4. 服务器响应：服务器对浏览器请求作出响应，并把带有HTML文本的HTTP响应报文发送给浏览器。

5. 浏览器解析渲染页面：浏览器收到HTML并在视窗内进行渲染。

6. 连接结束：浏览器和服务器通过四次挥手释放TCP连接。

> 第5步和第6步没有先后顺序。

 常见的HTTP状态码 

- 1xx: 提示信息，表示请求已被接收，继续处理。
- 2xx: 成功，表示请求已被成功接收，理解，接受。
- 3xx: 重定向，要完成请求必须进行进一步操作。
- 4xx: 客户端错误，请求有格式错误或请求无法实现。
- 5xx: 服务端错误，服务器未能响应合法请求。

| 状态码                    | 解释                                                         |
| ------------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| 200 OK                    | 正常返回                                                     |
| 400 Bad Request           | 客户端请求有格式错误，不能被服务器所理解                     |
| 401 Unauthorized          | 请求未经授权，这个状态码必须和WWW-Authenticate报头域一起使用 |
| 403 Forbidden             | 服务器收到请求，但拒绝提供服务                               |
| 404 Not Found             | 请求资源不存在（输入错误的URL）                              |
| 500 Internal Server Error | 服务器内部错误                                               |
| 503 Server Unavailable    | 服务器当前不能处理客户端请求，一段时间后可能恢复正常         |

 GET请求和POST请求的区别(基础但很重要) 

- HTTP报文层面：GET将请求信息放在URL，浏览器会对URL长度进行限制；POST将信息放在报文体中，大小无限制。
- 数据库层面：GET作为查询请求，每次执行得到的结果都相同，且不会修改数据，因此符合幂等性和安全性；POST会往数据库中提交数据，不符合幂等性和安全性。
- 其他层面：GET请求可以被浏览器记录，可以被缓存和存储，POST请求不行。

 Cookie和Session 

 Cookie 

Cookie是由服务器发送给客户端的特殊信息，以文本的形式存放在客户端。客户端再次请求时，会把Cookie回发。服务器接收到后，会解析Cookie生成与客户端相对应的内容。

 Session 

Session是服务端的机制，在服务端保存的信息。解析客户端请求并操作session id，并按需保存状态信息。

 Cookie和Session的区别 

- 数据存放位置不同：Cookie数据存放在客户的浏览器上，Session数据放在服务器上。
- 安全程度不同：Cookie并不安全，攻击者可以分析存放在本地的Cookie，可能会带来安全问题。Session是相对安全的。
- 性能差别：Session会在其生命周期内保存在服务器上。当访问量增加，会占用服务器的性能，可使用Cookie减轻服务器性能开销。
- 数据存储大小不同：单个Cookie保存的数据不能超过4KB，许多浏览器都限制一个站点最多保存20个Cookie。而Session则存储于服务端，不受浏览器限制。

HTTPS #

HTTPS（全称：Hyper Text Transfer Protocol over SecureSocket Layer），它是以安全为目标的 HTTP 通道，在HTTP的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性。HTTPS 在HTTP 的基础上加入SSL，HTTPS 的安全基础是 SSL，因此加密的详细内容就需要 SSL。

 什么是SSL？ 

SSL（Security Sockets Layer），即安全套阶层，它是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议，SSL3.0后改名为TLS，采用身份验证和数据加密来保证网络通信的安全和数据的完整性。

 SSL 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。（公钥和私钥）
- 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。
- 数字签名：证明某个消息或者文件是某人发出/认同的。

 HTTPS数据传输流程 

1. 浏览器将支持的加密算法信息发送给服务器。
2. 服务器选择一种浏览器支持的算法，以证书的形式回发给浏览器。
3. 浏览器检查证书的合法性，并用证书中的公钥对随机生成的消息进行加密。
4. 服务器用自己的私钥解密消息，确定密码，验证哈希，并加密响应消息回发给浏览器。
5. 浏览器解密响应消息，如果跟之前发过去的哈希值一致，那么之后都使用之前生成的随机密码加密。

 HTTPS的加密过程 

1. 服务器拥有CA证书的公钥和私钥；
2. 浏览器向服务器发送请求，服务器将证书公钥传输给浏览器；
3. 浏览器验证证书有效后，随机生成一个密钥，再用公钥加密后传给服务器；
4. 服务器收到后用私钥解密可以得到这个密钥；
5. 这样浏览器和服务器双方都有密钥，之后双方所有的数据都通过密钥加密解密就行。

有了CA证书，可以避免中间人攻击，浏览器可以确保收到的公钥一定是请求网站发过来的。

HTTP和HTTPS的区别 #

- HTTP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 套接字 #

Socket是对TCP/IP协议的抽象，是操作系统对外开放的接口，它封装了一系列网络操作的API。

Socket的通信流程如下图所示：

!socket

Socket面试中问得较少，但也可能被问到，建议同学们亲自动手编写一个demo来实现服务器和客户端的socket通信。

本文主要讲解计算机网络知识点及面试题。

标签：计算机网络

计算机网络知识点及面试题详解