五層協議介紹

層次	核心功能	典型協議/設備
應用層	為用戶應用程序提供網絡服務接口（如文件傳輸、電子郵件、網頁瀏覽）	HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH
傳輸層	提供端到端的可靠或不可靠數據傳輸，處理流量控制和差錯恢復	TCP（可靠）、UDP（不可靠）
網絡層	負責數據包的路由選擇和跨網絡傳輸，處理邏輯尋址（如IP地址）	IP、ICMP、ARP、路由器
數據鏈路層	將比特流封裝為幀，提供物理尋址（如MAC地址）和錯誤檢測，管理鏈路訪問控制	Ethernet、Wi-Fi（802.11）、PPP、交換機
物理層	定義物理介質的電氣、機械特性，傳輸原始比特流（0/1信號）	雙絞線、光纖、無線信號、中繼器

一、應用層

1.作用：直接為用戶應用程序提供網絡服務，定義數據格式和交互規則

2.主要協議：HTTP協議，HTTPS協議

3.儲備知識

1）日常我們在瀏覽器上見到的url(統一資源定位符)中包括協議，域名，資源路徑

2）表現形式：協議：//域名/資源路徑

3）域名會被解析成IP地址

4）使用域名的原因：域名具有更強的表義性，便于用戶了解自己訪問的是哪個服務器

5）DNS（域名系統）：存儲IP地址和域名的映射關系

4.HTTP協議的介紹

4.1HTTP請求

1）HTTP以空行為分隔符做到了報頭與有效載荷的分離

2）client和server如何保證自己讀到的報文是完整的？

答：step1：讀取字節流，分析讀到的字節流是否存在空行

step2：提取content-length，獲得正文長度，然后再讀取或截取指定長度的內容

注：如果接收方的應答內攜帶數據，他的response中的響應報頭中攜帶content-length：xx

4.2HTTP響應

1）content-type:數據類型

2）一張網頁內可能有多種資源（如：網頁自己+圖片），這就導致了如果想獲得網頁，除識別網頁外，還要識別其他類型，故而瀏覽器會發送第二次請求

3）臨時重定向和永久重定向

臨時重定向：不改變任何信息，多用于登錄，跳轉，狀態碼多為302/307

永久重定向：多用于網站更換域名或更換網址，狀態碼多為301/308

4）方法：Get和Post

Get：獲取資源，如果進行參數提交通過uri進行提交

Post：上傳資源，如果進行參數提交通過httprequest正文提交

Get	Post（相較于Get比較安全）
提交的參數不宜過長	可以傳送長數據
會回顯參數	不會回顯參數

注：Get和Post都不安全，二者皆為明文傳送

5）為了在一定程度上解決安全問題，引入session和cookie

3.協議數據單元（PDU）：數據

二、傳輸層

1.作用：確保數據從源進程可靠傳輸到目標進程（通過端口號標識）

2.主要協議：TCP和UDP

特性	TCP	UDP
設計目標	提供可靠、有序、無差錯的數據傳輸	提供高效、低延遲的簡單數據傳輸
連接管理	面向連接（需建立和釋放連接）	無連接（直接發送數據，無需握手）
傳輸方式	字節流（無邊界，需應用層自行分幀）	數據報（保留消息邊界，每個UDP包獨立）

3.TCP協議

1）報頭和有效載荷如何分離？

答：讀取報文段的前20個字節，提取前4位首部長度，計算有效載荷長度

2）可靠性的原因：對于每一次請求都會有對應的應答，保證了歷史消息的可靠性（即保證可靠的核心機制是確認應答機制）

3）面試題：為什么報文段里需要包含兩個序號（確認序號和序號）

答：服務器不一定只作應答，他可能是捎帶應答（應答+數據），這就要求接收方既要對報文進行確認，又要包含自己的序號

4）標志位

標志位	全稱	作用	取值含義	典型場景	核心特點
URG	Urgent Pointer	標識緊急指針字段是否有效，用于高優先級數據傳輸	1=緊急數據有效；0=無效	服務端響應慢時，客戶端發送緊急狀態查詢（如“立即終止”指令）	緊急數據優先處理，應用層稱為“帶外數據”
ACK	Acknowledgment	確認號字段是否有效，表示報文為確認包	1=確認號有效；0=無效（僅握手首包）	所有正常通信報文（除首次SYN）均需ACK=1	累積確認機制，確認號為期望接收的下一個字節序號
PSH	Push Function	強制接收方立即將數據交付應用層，避免緩沖區堆積	1=立即推送；0=正常緩存	交互式應用（如Telnet、SSH）需實時顯示用戶輸入	減少延遲，優化實時性
RST	Reset Connection	強制釋放連接并重建，通常因嚴重錯誤（如主機崩潰、非法數據包）觸發	1=重置連接；0=正常	連接異常、拒絕SYN Flood攻擊、端口未監聽時返回RST	可單獨發送或與ACK組合，快速終止連接
SYN	Synchronize Sequence	初始化序列號，用于連接請求或接受報文	1=發起/接受連接；0=正常數據	TCP三次握手（客戶端SYN→服務端SYN+ACK→客戶端ACK）	不攜帶數據但消耗序列號，建立連接唯一方式
FIN	Finish Transmission	發送方數據已發送完畢，請求釋放連接（可能仍有接收能力）	1=終止連接；0=正常	TCP四次揮手（客戶端FIN→服務端ACK→服務端FIN→客戶端ACK）	即使無數據也消耗序列號，支持半關閉狀態（如服務端繼續發送數據）

5）3次握手建立連接

階段	客戶端動作	服務端動作	報文標志位	關鍵作用
1. SYN_SENT	發送SYN包（請求連接）	監聽端口，等待客戶端請求	`SYN=1, seq=x`	客戶端初始化序列號`x`，表示“我想建立連接”。
2. SYN_RCVD	等待服務端響應	收到SYN后回復SYN+ACK包	`SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1`	服務端確認客戶端請求（`ack=x+1`），并初始化自身序列號`y`。
3. ESTABLISHED	發送ACK包（確認連接）	收到ACK后連接建立	`ACK=1, seq=x+1, ack=y+1`	客戶端確認服務端響應，雙方進入ESTABLISHED狀態，可開始數據傳輸。

Q：為什么要進行3次握手？

A：1.以最短的方式驗證全雙工2.以最小的成本100%確認雙方的通信意愿

6）4次回收釋放連接

階段	主動關閉方（客戶端）	被動關閉方（服務端）	報文標志位	關鍵作用
1. FIN_WAIT_1	發送FIN包（請求關閉）	收到FIN后進入CLOSE_WAIT狀態	`FIN=1, seq=u`	客戶端表示“我數據已發送完畢，但可能繼續接收數據”。
2. CLOSE_WAIT	等待服務端確認	回復ACK包	`ACK=1, seq=v, ack=u+1`	服務端確認客戶端關閉請求，但可能仍有數據未發送完。
3. LAST_ACK	（可選）繼續接收數據	發送FIN包（服務端數據發送完畢）	`FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1`	服務端表示“我數據也發送完畢，可以關閉連接”。
4. TIME_WAIT	回復ACK包（確認服務端關閉）	收到ACK后進入CLOSED狀態	`ACK=1, seq=u+1, ack=w+1`	客戶端確認服務端關閉，等待2MSL（最大報文段生存時間）后釋放資源（防止延遲報文干擾）。

Q1：為什么主動斷開連接的一方要進入TIME_WAIT？

A1：保證在傳輸方向上尚未達到的報文已經在網絡中消散，不會引起下一次連接的錯誤

Q2：如果client已經退出或者關閉，服務器端不關閉會怎樣？

A2：服務器會一直處于TIME_WAIT狀態，依舊占用fd，連接沒有釋放

7）滑動窗口

發送方一次可以發送多少數據有自己的滑動窗口的大小決定

滑動窗口的大小=min（對方的接收能力，擁塞窗口的大小）

滑動窗口不可以向左滑動

8）快重傳和超時重傳

快重傳的條件：連續收到3個重復確認

超時重傳的條件：超時并且沒有應答

9）擁塞控制

9.1）目標：避免網絡過載

9.2）四大算法

算法名稱	觸發條件	核心行為邏輯	關鍵特點	典型應用場景
慢啟動（Slow Start）	連接建立、超時重傳后，或從快速恢復退出后（部分實現）。	1. 初始`cwnd=1 MSS`（或更小）。 2. 每收到一個ACK，`cwnd += 1 MSS`（指數增長）。 3. 達到`ssthresh`后切換到擁塞避免。	快速探測帶寬：指數增長迅速擴大發送窗口。風險控制：避免一開始就發送大量數據導致網絡過載。	連接初期、網絡空閑后的數據傳輸啟動階段。
擁塞避免（Congestion Avoidance）	`cwnd ≥ ssthresh`，或從快速恢復退出后。	1. 每收到一個ACK，`cwnd += 1 MSS / cwnd`（線性增長，每輪RTT增加1 MSS）。 2. 發生丟包時，進入快速重傳/恢復。	保守增長：緩慢增加發送速率，防止觸發擁塞。穩定性優先：適合網絡負載接近閾值時。	網絡帶寬接近飽和時的持續數據傳輸階段。
快速重傳（Fast Retransmit）	收到3個重復ACK（表明中間有數據包丟失，但后續數據已到達接收方）。	1. 立即重傳丟失的段（無需等待超時）。 2. 觸發快速恢復，調整`ssthresh`和`cwnd`。	快速響應丟包：比超時重傳減少數秒等待時間。依賴重復ACK：適用于部分丟包場景。	網絡輕微擁塞或隨機丟包時的快速恢復。
快速恢復（Fast Recovery）	快速重傳后（即收到3個重復ACK后）。	1.?`ssthresh = cwnd / 2`（減半擁塞閾值）。 2.?`cwnd = ssthresh + 3*MSS`（補償已離開網絡的3個重復ACK對應的段）。 3. 每收到一個重復ACK，`cwnd += 1 MSS`；收到新ACK后退出，進入擁塞避免。	避免慢啟動：維持較高發送速率，減少性能波動。補償機制：通過重復ACK推斷網絡狀態。	快速重傳后的擁塞窗口調整，平衡效率與穩定性。