面试着重考察应用层(HTTP, DNS)、运输层(TCP、UDP)的协议

1. OSI模型

	是什么	为什么	怎么做
应用层	定义进程之间通信的规则	规范通信内容	DNS：域名系统，域名服务器存储IP-域名映射表 HTTP：超文本传输协议。UDP实现 DHCP：动态主机配置协议。服务器为客户端分配IP。UDP实现
表示层	定义数据转换(加密、压缩、编码、解码)的方法	保证数据的安全，提高数据传输效率	SSL：加密传输协议
会话层	定义建立、管理、终止会话或连接的方法	保证会话的有效性
运输层	定义进程间通信的方法	提供进程之间的逻辑通信服务	UDP：用户数据报协议。无连接的，尽最大可能交付的，没有拥塞控制，面向报文的，支持多对多的交互通信协议。 TCP：传输控制协议。面向连接的，提供可靠交付的，有拥塞控制的，面向字节流的，一对一的交互通信协议。
网络层	定义数据路由的方法，控制子网的运行	保证数据帧在主机之间有效传输 提供主机之间的通信服务	IP: 定义网络通信的基础标识IP ICMP：网际控制报文协议，测试主机之间的连通性，发送差错报告报文 路由选择协议：RIP、OSPF、BGP
数据链路层	定义数据的格式，对比特流进行封装(MAC地址)	保证数据在链路上有效传输	PPP：点对点协议，封装成帧 ARP：地址解析协议，维护IP-MAC地址的映射表 CSMA/CD协议：解决总线冲突(碰撞)
物理层	在物理介质的基础上，定义的物理设备的标准	保证比特流在不同物理媒介上有效传输	调制技术:数字信号 -> 模拟信号 通信技术: 单工、半双工、全工 复用技术: 频分、波分、码分

2. 链路网络协议

2.1 IP协议

1. IP协议：定义主机的网络标识

   1. 定义数据包格式（IP报文头）

   2. 提供逻辑地址系统（IP地址）

   3. 实现跨网络路由选择

   4. 完成数据包的分片与重组

2. IP地址：共32位，分为4组

   1. 掩码计算：网络位全1，主机位全0（255.255.255.0对应24位掩码）

   2. CIDR表示法：IP地址/掩码位数（如192.168.1.0/24）

   3. 子网地址：每个子网的首地址为网络地址，末地址为广播地址

3. NAT: 网络地址转换，私有IP地址转换为公有IP地址的技术

• 工作原理：NAT通过维护映射表，修改数据包实现地址转换

  • 内部设备发送数据包（源IP为私有IP，目标IP为外部地址）。

  • NAT设备（如路由器）收到数据包，根据映射表将源IP替换为公有IP。

  • 外部服务器收到数据包，认为请求来自NAT设备的公有IP。

  • 外部服务器返回响应数据包，目标IP为NAT设备的公有IP。

  • NAT设备根据映射表将目标IP替换为内部设备的私有IP，转发到内部网络。

• NAT类型：

  • 静态NAT：映射表固定映射，用于对外提供服务的服务器（如Web服务器）

  • 动态NAT：IP池动态映射，用于企业内部设备访问外部网络

2.2 ARP协议

1. Address Resolution Protocol地址解析协议:维护MAC-IP映射表

2. 获取 MAC-IP 映射：主机的ARP缓存表没有存储MAC-IP映射

举例：主机A 需要获取 主机B 的MAC地址

1. 主机A以广播方式发送一个ARP请求报文，此时目标MAC置0

2. 主机B比较自己的IP地址和ARP请求报文中的目标IP地址，发现一致

3. 主机B存储主机A的MAC-IP信息，以单播方式返回完整ARP响应报文

2.3 路由协议

1. 路由协议：用于确定数据包在多个网络中的传输路径

2. 路由表：每个路由器记录下一跳的IP

3. 路由更新算法：路由协议维护和更新路由表的方法

4. RIP: 距离向量路由协议

• 网络结构：整个网络节点平级，网络是无向图

• 路由表更新机制：

  • 周期性广播：每30秒全量广播路由表，导致带宽浪费和收敛慢

  • 触发更新：仅在网络变化时发送增量更新（需手动配置）

• 路由更新算法：Bellman最短路径算法

每次网络结构更新，路由协议将本节点到所有其他节点的距离，发送给相邻节点，直到所有节点的距离向量被更新。最终每个节点都得到了到达目的节点的最短距离。

• 适用范围：小型网络

RIP的路由算法使得每次网络更新，整体网络的路由器都会更新路由表，开销大

        5. OSPF: 链路状态路由协议

• 网络结构：网络分层

  • 层级内部仅存储内部路由信息

  • 层级暴露一个路由器接口，自治系统边界路由器ASBR

  • 层级之间信息由区域边界路由器ABR管理

• LSDB：存储路由器所在OSPF区域内的所有链路状态信息

  • 触发更新：网络变化时立即发送LSA(链路状态通告),仅传播变化部分。

  • LSA刷新：每30分钟刷新一次LSA以确保数据库一致性

• 路由更新算法：Dijkstra

3. 运输层协议

3.1 UDP用户数据报协议

1. 特点

   1. 无连接：发送数据之前不需要建立连接

   2. 尽最大努力交付：不保证可靠交付

   3. 面向报文：一次传送并交付一个完整的报文

   4. 没有拥塞控制：网络拥塞不改变报文的发送速率

   5. 支持多对多：支持 1/n:1/n

   6. 首部开销小：包括端口信息、数据报长度、校验和，仅8字节

2. 通信流程：UDP数据报镶嵌在IP数据报内，指定IP接收UDP数据报后根据首部寻找端口。UDP报错由ICMP发送。

3. 使用场景

   1. 时效性强：视频会议，在线游戏

   2. 情景简单：DNS解析，物联网

4. 综合评价：UDP通信简单，传输速率快，但不可靠

3.2 TCP传输控制协议

1. 什么是TCP协议：面向连接的，提供可靠交付的，面向字节流的，可以进行拥塞控制的通信协议

   1. 面向连接：发送数据前需要建立一对一的连接

   2. 提供可靠交付：通过连接提供可靠交付

   3. 面向字节流：一次传送并交付一个数据块，控制字节（多个数据块）序列。

   4. 拥塞控制：缓存机制

2. 面向连接的实现

3次握手的作用分别是什么？

 第 1 次握手：客户端发出SYN连接请求，并发出报文序列号seq。

第 2 次握手：服务器响应连接请求，发出ACK确认报文，并发出报文序列号seq。

第 3 次握手：客户端响应服务器确认报文，发出ACK确认报文。此次握手能够排除迟滞报文导致的错误。

4次挥手的作用分别是什么？

第 1 次挥手：客户端发出FIN断开请求。

第 2 次握手：服务器确认断开请求，并发出ACK确认报文。此时，服务器进入CLOSE_WAIT状态，屏蔽接收请求，只发送资源。

第 3 次挥手：服务器在发送完所有资源后，响应断开请求，发出FIN断开响应。

第 4 次挥手：客户端响应服务器确认报文，发出ACK确认报文。此次挥手能够排除迟滞报文导致的错误（同作用同第 3 次握手）。此时，客户端进入TIME_WAIT状态，接收服务器发送的延迟的数据包。

2MSL后，请求方关闭连接

3. 可靠交付的实现：停止等待协议：超时重传，确认丢失，确认迟到

4. 面向字节流的实现：滑动窗口

1. 滑动窗口实现可靠传输

2. 滑动窗口实现流量控制：粘包与拆包

   • 粘包：发送方写入数据<接收方socket缓冲区大小，会合并多个TCP数据

   • 拆包：发送方写入数据>接收方socket缓冲区大小，会拆分TCP数据

5. 流量控制的实现：接收窗口rwnd，发送方会根据接收方rwnd的大小控制发送速度

6. 拥塞控制的实现：

1. 拥塞窗口cwnd：根据网络状态限制发送窗口的大小

2. 拥塞控制算法：慢开始、拥塞避免

3. 拥塞控制算法：快重传、快恢复

慢开始：从1开始指数增长

拥塞避免：达到阈值，缓慢加1

超时：阈值变为窗口大小的一半，重新慢开始

快重传：收到3个重复的seq，立刻重传seq+1

快恢复：快重传后，阈值变为窗口大小的一半，进入拥塞避免

7. 综合评价：TCP通信流程复杂，传输速率慢，但是通信可靠

4. 应用层协议

4.1 DNS协议

1. IP和域名的关系：IP：域名=1:n,单个IP可以有多个域名

2. DNS授权模型：倒置点分字符串的树形结构寻址

3. DNS服务器查询全过程

• 多级缓存查询：查询过程类似于多级缓存，不存储全部子节点信息。只有未命中时，才会向父节点发出递归查询请求

• 分布式授权管理：如果某个域名对应的IP改变了，只需要通知父节点即可

4.2 HTTP超文本传输协议

1. 什么是HTTP：基于TCP的无状态的超文本传输协议

   1. 超文本：可以使用超链接跳转的文本

   2. 无状态：不记录连接状态，每次请求是独立的

2. HTTP报文

请求报文

	内容
请求行	HTTP版本,url,请求方法
请求头	cookie,host,encoding,user-agent
请求体

响应报文

	方法
响应行	HTTP版本,响应码
响应头	set-cookie,encoding,cache-control
响应体

3. 请求方法

	方法	执行效率	安全性	应用场景
GET	发送一个带有url的报文，没有请求体	高	低	请求资源
POST	先发送一个只有请求头的报文， 等待服务器响应 code 100 再发送带有数据的报文	低	高	参数较多的请求 文件上传

HEAD - 请求资源的响应头信息。

PUT - 上传文件或者更新资源。

DELETE - 删除指定的资源。

OPTIONS - 请求获取服务器支持的请求方法。

4. 状态码

1xx	通知
2xx	成功
3xx	重定向
4xx	客户端错误
5xx	服务器错误

5. HTTP有状态连接的实现：该机制通常用于用户信息验证(登录场景)

• Cookie与Session

  • Cookie ：浏览器端的存储机制

  • Session：服务器端的存储机制

• Cookie + Session的状态存储

  • 服务端接收未带有Session ID的客户端验证请求，服务端验证通过后，会创建唯一的 Session ID 并存储

  • 服务端将Resbonse报文携带Session ID返回客户端，客户端浏览器通过Cookie存储Session ID

  • 后续客户端对服务端同一域名的请求中，客户端请求携带 Session ID

  • 服务端接收带有Session ID的客户端请求，服务端会查询Session ID数据库验证。如果验证通过可直接登录

Session ID通常有过期时间限制

• Token与Jwt：

  • token：无状态令牌，以 加密(uid+timestamp+sign) 的方式存储用户信息

Token是Session的替代方案，其思路是直接将用户信息加密存储在令牌中。如果服务端使用Token存储用户信息，在保证了用户信息的安全性的同时，服务端就不用维护一个Session ID数据库了，降低了服务端压力

• Jwt：Token 的一种具体实现标准，明确定义了token需要包含的格式与信息

  • Header:令牌+加密算法信息

  • Payload:传输的数据

  • Signature：对Header签名，保证令牌没有篡改

• Cookie + Jwt的状态存储

  • 服务端接收未带有jwt的客户端验证请求，服务端验证通过后，会通过加密算法提取登录信息生成jwt

  • 服务端将Resbonse报文携带jwt返回客户端，客户端浏览器通过Cookie存储jwt

  • 后续客户端对服务端同一域名的请求中，客户端请求携带jwt

  • 服务端接收带有jwt的客户端请求，服务端会对jwt进行安全校验。如果验证通过可直接登录

Jwt除了使用Cookie存储也可以直接在请求头的Authorization中存储

• Jwt的常见应用流程

  • 首次登录：客户端请求(无token) -> login页面 -> 对应Controller生成JWT -> 返回token给客户端

  • 后续请求：客户端（携带token）-> 其他page页面 -> 拦截器验证token -> 对应Controller

6. 连接管理

• 短链接：每发出一次HTTP请求，建立一个TCP连接。HTTP/1.0默认使用短链接。

• 长连接：多个HTTP请求，复用同一个TCP连接，由HTTP请求行{Connection：keep-alive}控制。HTTP/1.1默认使用长连接。

7. HTTPS：指的是TCP和HTTP之间使用SSL隧道进行通信，即 HTTP + SSL。

• 加密

  • 对称加密：加密与解密的密钥相同

  • 非对称加密：使用公开密钥加密，使用私有密钥解密。

• 认证：服务器向证书认证机构CA申请认证，CA会服务器的公开密钥签名，分发给客户端。CA认证收费。

• 总结：与HTTP的区别

  • 优点：HTTPS 能够加密（防窃听）、认证（防伪装）、完整性保护（防篡改）

  • 缺点：速度会更慢，证书要付费

8. HTTP/2.0

• 二进制格式

• 多路复用：将单个请求拆分为帧，不同的帧使用单个TCP交错发送

解决了HTTP 1.1 使用阻塞队列导致的等待问题

• 首部压缩：缓存请求头信息

HTTP发展脉络总结：

特性	HTTP/1.0	HTTP/1.1	HTTP/2	HTTP/3
​连接方式	短连接	持久连接	多路复用	QUIC流
​传输格式	文本	文本	二进制	二进制
​头部处理	无压缩	无压缩	HPACK	QPACK
​队头阻塞	严重	存在	应用层解	完全解决
​加密要求	无	无	非必须	强制加密
​典型延迟	高	中	低	极低
​移动网络适应	差	一般	较好	优秀

4.3 WebSocket协议

1. 什么是WebSocket协议：基于TCP，HTTP的双向通信协议，解决了服务器与客户端双工通信的问题

2. WebSocket协议的特点：

   1. 可靠传输：建立在TCP之上，是可靠性传输协议

   2. 保持连接：WebSocket支持持久连接

   3. 全双工通信：WebSocket是双向通信协议，服务器可以向客户主动推送数据

3. WebSocket与HTTP的关系：

   1. 都是应用层协议，均建立在TCP的基础上

   2. WebSocket是基于HTTP完成的，其一部分握手借用了HTTP完成

4. WebSocket握手的过程：

   1. 客户端发起HTTP请求，包含Upgrade请求头，表明升级协议为WebSocket

   2. 服务器收到请求，如果支持WebSocket，返回101状态码，HTTP完成升级

5. WebSocket通信机制：使用消息帧传输数据

   1. FIN：指示是否是消息的最后一个帧。

   2. Opcode：指示帧的类型（如文本、二进制、关闭等）。

   3. Payload Length：指示有效载荷的长度。

   4. Payload Data：实际的数据。

WebSocket 的消息帧设计已经足够高效，不需要额外的 ACK 机制

        6. WebSocket的应用：消息推送

4.4 负载均衡

1. 什么是负载均衡：将网络流量分摊到多个服务器的技术

2. 为什么需要负载均衡：分摊网络请求，实现高可用，高性能

3. 负载均衡的基本原理：负载均衡器接收并分发请求

4. 负载均衡的常见算法：

   1. 轮询法:依次分配

   2. 最少链接法

   3. 源地址哈希法

5. 负载均衡的实现方法：

   1. 硬件负载均衡器：一些交换机内置负载均衡器

   2. 软件负载均衡器：Nginx(默认使用轮询)

5. 面试常见问题

5.1 Web页面的请求过程是什么？

• 联网

1. 获取IP地址：路由器使用DHCP从ISP获取IP地址

2. ARP解析：客户端获取IP地址后，向路由器发送ARP请求

• DNS解析域名

1. 浏览器输入URL进行访问

2. 获取DNS服务器IP：在DHCP从ISP获取IP的同时，也会提供默认DNS。另外也可以手动配置

3. 访问DNS服务器：利用网络层的网关协议（RIP，OSPF，BGP），查找DNS服务器的IP

4. DNS解析域名：DNS服务器在数据库中查找域名对应的IP，放入IP数据报返回

• HTTP请求

1. 建立TCP连接：客户端与服务器三次握手，建立TCP连接

2. 发送HTTP请求：浏览器生成HTTP GET报文，发送给服务器

3. 响应HTTP请求：服务器响应报文，发送Web内容

4. 浏览器渲染：客户端浏览器渲染HTML/JS文本，进行绘制

5. 断开TCP连接：客户端与服务器四次挥手，断开TCP连接

5.2 TCP连接为什么要挥手3次？2次可不可以？

不可以。第 3 次握手的作用是防止迟滞报文。

存在一种情景：客户端首先发送了一个TCP连接请求，由于某些原因该请求迟滞在网络中。于是，客户端重新发送了一个新的TCP请求，被服务器接收，建立了TCP连接。最后，客户端和服务器在通信后断开连接。此时，迟滞的连接请求被服务器接收，那么：

如果只握手 2 次，那么服务器会发出ACK确认报文，并建立TCP连接。舍弃的报文重新连接，发生错误。

如果握手 3 次，那么服务器会发出ACK确认报文，等待客户端的确认。此时客户端比对ACK序号，发现是错误连接，遂不回复/发出错误报告。服务器在没有接受报文/接收错误报文后，放弃连接。

5.3 TIME_WAIT是什么？存在的意义是什么？

TIME_WAIT指的是断开TCP连接的四次挥手过程中，在客户端发送最后一次确认报文后，会进入TIME_WAIT状态，这个状态的时长为2MSL。MSL指的是Maximum Segment Lifetime,即报文最长寿命。TIME_WAIT存在的目的是：

确保最后的ACK报文能够到达服务端，确保可靠的关闭

服务端在第三次回收之后，进入监听状态，等待ACK报文，时长小于等于1MSL。如果此期间未收到ACK报文，会进行超时重传，重新发送FIN报文，要求客户端重新发送ACK报文。

对于客户端来说，从接收到第三次挥手的FIN报文，再到可能接收到的FIN报文时长总共不超过2MSL，即ACK报文的发送与FIN报文的接收。为了保证TCP连接能够正常关闭，服务端能够正常接收ACK报文，需要进入长达2MSL的TIME_WAIT状态。

防止新旧连接之间的混淆

在TIME_WAIT期间，客户端不会发送新的报文，即便客户端有新的连接请求，也会在这之后发送。防止服务端误将新的连接请求，当作旧连接的重启。

5.4 TCP协议是怎么处理异常的？

TCP有Keep-Alive机制。TCP建立连接后，为了保持可靠传输，每隔一段时间会发送心跳检测报文，如果服务器没有响应，TCP协议会使连接自动断开。

5.5 粘包问题是什么？怎么解决？

TCP的粘包问题指的是多个数据包被粘在一起，仅看TCP无法区分数据分片。原因是TCP是面向字节流的通信协议，他的拥塞控制机制使得数据包不是以报文为单位发送的。

解决方案：

• 给数据包添加标识：开头附带长度，结尾添加分隔符

• 升级协议：升级为HTTP，WebSocket

5.6 WebSocket是怎么应用于业务的？

WebSocket是基于HTTP实现的，因为HTTP协议是互联网最基础，广泛使用的协议，兼容性很强。通过HTTP协议升级WebSocket的方法，可以复用基础设施，简化开发。

WebSocket的应用场景有二：

• 需要进行实时数据更新的场景

• 需要服务器进行主动推送的场景

这都利用了WebSocket全双工通信的特点。通过保持连接，数据的实时更新不需要像HTTP的请求-响应模式，每次通信都需要确认，提高效率，实现了实时数据更新。通过全双工通信，服务器可以主动向每一个保持连接的客户端广播。而传统的HTTP Web项目只能通过轮询(客户端定期向服务器发送HTTP请求)的方式实现。当然，使用消息队列也可以实现同样效果。

Spring Boot集成websocket可以通过原生注解来实现

5.7 HTTP协议不同版本之间的区别是什么？

HTTP/1.0：不支持长连接。没有Host头

HTTP/1.1：支持长连接，且默认为长连接。引入Host头。引入了PUT，DELETE等请求方法

HTTP/2.0：优化了HTTP性能，包括二进制分帧，多路复用，头部压缩，流量控制

5.8 推流是怎么实现的？

推流指的是将音频，视频等多媒体数据通过网络传输到服务器或云端，再将数据分发给多个用户进行播放的过程。推流常用于实现直播、视频会议、视频监控等实时播放的场景。

推流基于UDP或TCP实现通信，RTP作为载体，主要流程为：视频采集、视频编码、媒体传输、视频解码、视频播放