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网络编程高频总结一

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作者 匆匆那年 21 分钟阅读

为什么握手是三次而挥手需要四次

在计算机网络中，TCP（传输控制协议）的三次握手和四次挥手是建立和终止连接的重要机制。它们的设计逻辑是基于可靠性和安全性，同时兼顾网络通信的效率。以下是详细的解释：

三次握手的原因

三次握手的目的是建立可靠的连接，确保通信双方都能正常收发数据。具体步骤如下：

  1. 第一次握手 (SYN) 客户端发送一个 SYN（同步序列号）报文，表明希望建立连接，同时告诉服务器自己的初始序列号。
  2. 第二次握手 (SYN-ACK) 服务器收到客户端的 SYN 报文后，回复一个 SYN-ACK 报文，表明自己同意建立连接，同时也发送自己的初始序列号。
  3. 第三次握手 (ACK) 客户端收到服务器的 SYN-ACK 后，再发送一个 ACK 报文，表示确认服务器的响应，连接正式建立。

为什么是三次？ 三次握手可以有效避免历史旧连接（延迟的报文）对当前通信的干扰，同时确认双方的接收和发送能力：

  • 第一次：确认客户端的发送能力。
  • 第二次：确认服务器的接收和发送能力。
  • 第三次：确认客户端的接收能力。

四次挥手的原因

四次挥手的目的是优雅地关闭连接，确保通信双方都能正确终止数据传输。具体步骤如下：

  1. 第一次挥手 (FIN) 客户端发送一个 FIN 报文，表示自己没有数据要发送了，请求关闭连接。
  2. 第二次挥手 (ACK) 服务器收到 FIN 后，回复一个 ACK 报文，表示收到关闭请求，但可能还有数据要处理。
  3. 第三次挥手 (FIN) 服务器处理完数据后，发送一个 FIN 报文，表示自己也没有数据要发送了，请求关闭连接。
  4. 第四次挥手 (ACK) 客户端收到服务器的 FIN 后，回复一个 ACK 报文，确认关闭连接。

为什么是四次？ TCP 是全双工协议，双方的发送和接收是独立的，连接关闭需要分别进行：

  • 前两次（FIN 和 ACK）用于关闭一方的发送通道。
  • 后两次（FIN 和 ACK）用于关闭另一方的发送通道。

这确保双方都有机会完成未发送的数据，避免数据丢失。

总结

  • 三次握手： 双方需要协商建立连接，确认彼此的接收和发送能力。
  • 四次挥手： 双方需要分别关闭发送通道，确保未发送的数据完整传输。

这两种机制的设计初衷都是为了保证可靠通信的同时，避免资源浪费或数据丢失。

tcp和udp的原理、区别、应用场景

TCP 和 UDP 是两种不同的传输层协议，各有特点和适用场景。

1. TCP 的原理

TCP（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的传输协议，适用于需要高可靠性的数据传输。

TCP报文结构

TCP报文结构

TCP首部结构

TCP首部结构

TCP：状态控制码（Code，Control Flag），占 6 比特，含义如下：

  • URG：紧急比特（urgent），当 URG＝1 时，表明紧急指针字段有效，代表该封包为紧急封包。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送(相当于高优先级的数据)， 且上图中的 Urgent Pointer 字段也会被启用。
  • ACK：确认比特（Acknowledge）。只有当 ACK＝1 时确认号字段才有效，代表这个封包为确认封包。当 ACK＝0 时，确认号无效。
  • PSH：（Push function）若为 1 时，代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应封包，而无需等缓冲满了才送。
  • RST：复位比特(Reset)，当 RST＝1 时，表明 TCP 连接中出现严重差错（如由于主机崩溃或其他原因），必须释放连接，然后再重新建立运输连接。
  • SYN：同步比特(Synchronous)，SYN 置为 1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文，通常带有 SYN 标志的封包表示『主动』要连接到对方的意思。
  • FIN：终止比特(Final)，用来释放一个连接。当 FIN＝1 时，表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

工作原理

  • 三次握手： 在通信前建立可靠的连接。
  • 数据传输： 数据分片后传输，接收方按序重组，确保完整性。
  • 超时重传： 如果未收到确认（ACK），发送方会重发数据包。
  • 流量控制： 使用滑动窗口机制，控制发送方的发送速率，防止接收方过载。
  • 拥塞控制： 动态调整传输速率，避免网络拥堵。
  • 四次挥手： 连接结束时，双方独立关闭发送和接收。

2. UDP 的原理

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、轻量级的传输协议，注重效率。

TCP报文结构

UDP报文结构

TCP首部结构

UDP首部结构

工作原理

  • 无连接： 发送方直接将数据报（Datagram）发送给接收方，无需建立连接。
  • 尽力而为： 不保证数据一定能到达，数据可能丢失、重复或乱序。
  • 数据传输： 数据直接传递到应用层，开销小，延迟低。

3. TCP 和 UDP 的区别

特性TCPUDP
是否连接面向连接（需要三次握手建立连接）无连接（无需建立连接）
可靠性可靠传输（有确认、重传、排序、流量控制）不可靠传输（无确认、不重传、不排序）
数据顺序保证数据按顺序到达不保证数据按顺序到达
传输效率传输效率较低（建立连接和校验机制增加开销）传输效率高（无连接、低开销）
传输单位数据流（Stream）数据报（Datagram）
适用场景适合可靠性要求高的场景适合实时性、效率要求高的场景

4. TCP 和 UDP 的应用场景

TCP 的应用场景

TCP 适用于对数据传输可靠性要求高的场景，如：

  1. Web 服务： HTTP/HTTPS 使用 TCP，确保网页内容完整传输。
  2. 文件传输： FTP、SFTP 使用 TCP，保障文件不丢失、不损坏。
  3. 电子邮件： SMTP、POP3、IMAP 协议使用 TCP，确保邮件可靠投递。
  4. 远程登录： SSH、Telnet 使用 TCP，保障命令顺序和响应完整性。
  5. 数据库通信： SQL 数据库的查询和更新，要求高可靠性。

UDP 的应用场景

UDP 适用于对数据传输实时性要求高的场景，如：

  1. 流媒体传输： 视频直播、IPTV 使用 UDP，实时播放优先于丢包修复。
  2. 在线游戏： 快速交互优先于数据可靠性，使用 UDP 传输游戏状态。
  3. 语音和视频通话： VoIP、视频会议使用 UDP，确保低延迟。
  4. 广播和组播： DHCP、DNS 查询等使用 UDP 进行广播和多播通信。
  5. IoT 数据传输： 物联网设备的数据更新，通常选择轻量级的 UDP。

总结

  • TCP： 注重可靠性和数据完整性，适用于文件传输、浏览器访问等。
  • UDP： 注重效率和实时性，适用于直播、通话和在线游戏等。

选择 TCP 或 UDP 取决于场景需求，是可靠性优先还是效率优先。

TCP慢启动，拥塞控制实现

TCP 的慢启动和拥塞控制机制是为了在动态网络环境中，平衡带宽利用率与网络拥塞，确保传输的效率和可靠性。以下是两者的详细实现原理与流程。

1. 慢启动 (Slow Start)

目的

慢启动是为了解决初始阶段的带宽探测问题。TCP 不知道网络的容量，因此通过逐步增加发送速率，避免过快导致网络拥塞。

实现细节

  • 拥塞窗口 (Congestion Window, cwnd)： TCP 发送方维护的一个窗口，用于限制未被确认的分组数量。初始时，cwnd 通常为 1 个 MSS（最大报文段长度）。
  • 阈值 (ssthresh)： 拥塞窗口的阈值，当 cwnd < ssthresh 时处于慢启动阶段。
  • 逐步增长：
    • 每收到一个 ACK（确认），cwnd 增加 1 个 MSS。
    • 因为每轮次（RTT）内发送的报文数量翻倍，呈指数增长。
  • 停止条件：
    • 如果 cwnd ≥ ssthresh，进入拥塞避免阶段。
    • 如果发生丢包，进入拥塞控制。

2. 拥塞控制机制

目的

拥塞控制的核心目标是动态调整 cwnd，适应网络带宽，避免和缓解拥塞。TCP 的拥塞控制通常分为以下几个阶段：

2.1 拥塞避免 (Congestion Avoidance)

  • 进入条件： 当 cwnd 增长到 ssthresh 以上，离开慢启动，进入拥塞避免。
  • 增长方式： 在拥塞避免阶段，cwnd 不再指数增长，而是线性增长：
    • 每轮次（RTT）内，cwnd 增加$\frac{\text{MSS}}{\text{cwnd}}$，约等于每 RTT 增加 1 MSS。
  • 目标： 稳步探测网络容量，避免突然增加导致拥塞。

2.2 快速重传 (Fast Retransmit)

  • 进入条件： 如果发送方连续收到 3 个相同的重复 ACK，表明有报文段丢失（非超时）。
  • 操作：
    • 立即重传丢失的报文段，无需等待超时。
    • 将 ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半（触发慢启动门限调整）。

2.3 快速恢复 (Fast Recovery)

  • 进入条件： 与快速重传配合使用，避免重回慢启动阶段。
  • 操作：
    • 将 cwnd 减小到 ssthresh。
    • 在快速恢复阶段，cwnd 继续以线性方式增长。
  • 目标： 通过快速恢复机制，利用网络剩余带宽，减少恢复时间。

2.4 超时重传 (Timeout Retransmit)

  • 进入条件： 如果没有收到 ACK 并发生超时。
  • 操作：
    • ssthresh 设置为当前 cwnd 的一半。
    • cwnd 重置为 1 MSS，重新进入慢启动阶段。

3. 拥塞控制算法总结

阶段划分

阶段条件增长方式
慢启动cwnd < ssthresh指数增长
拥塞避免cwnd ≥ ssthresh线性增长
快速重传收到 3 个重复 ACK减半 cwnd 并快速重传
快速恢复快速重传后继续利用剩余带宽从 ssthresh 线性增长
超时重传超时且未收到 ACK重置 cwnd 为 1 MSS

4. 图解过程

  1. 初始阶段：慢启动
    • 拥塞窗口指数增长。
  2. 进入拥塞避免阶段：
    • 当 cwnd >= ssthresh 时，拥塞窗口线性增长。
  3. 拥塞发生：
    • 丢包或超时触发快速恢复或超时重传，cwnd 减半或重置。
  4. 恢复增长：
    • 从调整后的 ssthresh 开始重新线性增长。

5. 应用与优化

  • 现代优化：
    • TCP Tahoe：基础算法，包括慢启动、拥塞避免、超时重传。
    • TCP Reno：引入快速重传与快速恢复。
    • TCP CUBIC、BBR：优化高带宽、低延迟场景。
  • 适用场景：
    • TCP 的拥塞控制特别适用于需要高可靠性且对丢包敏感的应用（如文件传输、网页访问）。

通过慢启动和拥塞控制，TCP 实现了高效、可靠的数据传输，并在各种网络环境下优化了传输性能。

HTTP是在OSI模型的哪一层

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）位于 OSI模型的应用层。

在OSI模型中，应用层是第七层，负责为应用程序提供网络服务。HTTP是一种应用层协议，主要用于在客户端（例如Web浏览器）和服务器之间传输超文本数据（如HTML页面、图片等）。它通过底层的传输层协议（如TCP）来实现可靠的数据传输。

HTTP与OSI模型其他层的关系：

  1. 应用层（HTTP）: 负责定义数据的格式和交换的语义。
  2. 表示层: 负责数据的表示、加密和解码（例如，HTTP响应中的MIME类型）。
  3. 会话层: 管理会话的建立、维护和终止（如长连接）。
  4. 传输层（TCP）: 提供端到端的可靠数据传输。
  5. 网络层（IP）: 负责数据的路由和寻址。
  6. 数据链路层: 提供点到点的数据帧传输。
  7. 物理层: 负责实际的数据位流传输。

因此，HTTP的具体功能主要集中在应用层，而依赖下层协议来完成其工作。

HTTPS用到的是对称加密还是非对称加密？分别体现在哪里？

HTTPS（Hypertext Transfer Protocol Secure）使用了对称加密和非对称加密的结合，分别体现在以下环节中：

1. 非对称加密（用于密钥交换）

  • 体现: 在 HTTPS 握手过程中，用于安全地传输对称加密所需的密钥（会话密钥）。
  • 过程:
    1. 客户端（浏览器）连接到服务器后，服务器会发送一个数字证书（包含服务器的公钥）。
    2. 客户端验证证书的有效性（是否被信任的CA签署，是否过期等）。
    3. 客户端使用服务器的公钥加密一个随机生成的会话密钥，并将其发送给服务器。
    4. 服务器使用自己的私钥解密，得到会话密钥。

此时，客户端和服务器已经共享了一个安全的会话密钥，但整个过程通过非对称加密保护了密钥的传输安全。

2. 对称加密（用于数据传输）

  • 体现: 在 HTTPS 握手完成后，用共享的会话密钥对客户端与服务器之间的通信数据进行加密。
  • 过程:
    1. 双方使用协商好的对称加密算法（如 AES）和会话密钥加密通信数据。
    2. 对称加密的特点是速度快、效率高，适合大规模数据传输。

因此，实际的 HTTP 请求和响应数据传输过程中，使用的是对称加密。

总结

  • 非对称加密: 用于密钥交换（建立安全连接的第一步）。
  • 对称加密: 用于实际的数据加密传输。

这种结合利用了非对称加密的安全性和对称加密的高效性，是 HTTPS 的核心设计。

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