五层协议介绍
| 层次 | 核心功能 | 典型协议/设备 |
|---|---|---|
| 应用层 | 为用户应用程序提供网络服务接口（如文件传输、电子邮件、网页浏览） | HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH |
| 传输层 | 提供端到端的可靠或不可靠数据传输，处理流量控制和差错恢复 | TCP（可靠）、UDP（不可靠） |
| 网络层 | 负责数据包的路由选择和跨网络传输，处理逻辑寻址（如IP地址） | IP、ICMP、ARP、路由器 |
| 数据链路层 | 将比特流封装为帧，提供物理寻址（如MAC地址）和错误检测，管理链路访问控制 | Ethernet、Wi-Fi（802.11）、PPP、交换机 |
| 物理层 | 定义物理介质的电气、机械特性，传输原始比特流（0/1信号） | 双绞线、光纤、无线信号、中继器 |
一、应用层
1.作用：直接为用户应用程序提供网络服务，定义数据格式和交互规则
2.主要协议：HTTP协议，HTTPS协议
3.储备知识
1）日常我们在浏览器上见到的url(统一资源定位符)中包括协议，域名，资源路径
2）表现形式：协议：//域名/资源路径
3）域名会被解析成IP地址
4）使用域名的原因：域名具有更强的表义性，便于用户了解自己访问的是哪个服务器
5）DNS（域名系统）：存储IP地址和域名的映射关系
4.HTTP协议的介绍
4.1HTTP请求
1）HTTP以空行为分隔符做到了报头与有效载荷的分离
2）client和server如何保证自己读到的报文是完整的？
答：step1：读取字节流，分析读到的字节流是否存在空行
step2：提取content-length，获得正文长度，然后再读取或截取指定长度的内容
注：如果接收方的应答内携带数据，他的response中的响应报头中携带content-length：xx
4.2HTTP响应
1）content-type:数据类型
2）一张网页内可能有多种资源（如：网页自己+图片），这就导致了如果想获得网页，除识别网页外，还要识别其他类型，故而浏览器会发送第二次请求
3）临时重定向和永久重定向
临时重定向：不改变任何信息，多用于登录，跳转，状态码多为302/307
永久重定向：多用于网站更换域名或更换网址，状态码多为301/308
4）方法：Get和Post
Get：获取资源，如果进行参数提交通过uri进行提交
Post：上传资源，如果进行参数提交通过httprequest正文提交
| Get | Post（相较于Get比较安全） |
| 提交的参数不宜过长 | 可以传送长数据 |
| 会回显参数 | 不会回显参数 |
注：Get和Post都不安全，二者皆为明文传送
5）为了在一定程度上解决安全问题，引入session和cookie
3.协议数据单元（PDU）：数据
二、传输层
1.作用：确保数据从源进程可靠传输到目标进程（通过端口号标识）
2.主要协议：TCP和UDP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 设计目标 | 提供可靠、有序、无差错的数据传输 | 提供高效、低延迟的简单数据传输 |
| 连接管理 | 面向连接（需建立和释放连接） | 无连接（直接发送数据，无需握手） |
| 传输方式 | 字节流（无边界，需应用层自行分帧） | 数据报（保留消息边界，每个UDP包独立） |
3.TCP协议
1）报头和有效载荷如何分离？
答：读取报文段的前20个字节，提取前4位首部长度，计算有效载荷长度
2）可靠性的原因：对于每一次请求都会有对应的应答，保证了历史消息的可靠性（即保证可靠的核心机制是确认应答机制）
3）面试题：为什么报文段里需要包含两个序号（确认序号和序号）
答：服务器不一定只作应答，他可能是捎带应答（应答+数据），这就要求接收方既要对报文进行确认，又要包含自己的序号
4）标志位
| 标志位 | 全称 | 作用 | 取值含义 | 典型场景 | 核心特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| URG | Urgent Pointer | 标识紧急指针字段是否有效，用于高优先级数据传输 | 1=紧急数据有效；0=无效 | 服务端响应慢时，客户端发送紧急状态查询（如“立即终止”指令） | 紧急数据优先处理，应用层称为“带外数据” |
| ACK | Acknowledgment | 确认号字段是否有效，表示报文为确认包 | 1=确认号有效；0=无效（仅握手首包） | 所有正常通信报文（除首次SYN）均需ACK=1 | 累积确认机制，确认号为期望接收的下一个字节序号 |
| PSH | Push Function | 强制接收方立即将数据交付应用层，避免缓冲区堆积 | 1=立即推送；0=正常缓存 | 交互式应用（如Telnet、SSH）需实时显示用户输入 | 减少延迟，优化实时性 |
| RST | Reset Connection | 强制释放连接并重建，通常因严重错误（如主机崩溃、非法数据包）触发 | 1=重置连接；0=正常 | 连接异常、拒绝SYN Flood攻击、端口未监听时返回RST | 可单独发送或与ACK组合，快速终止连接 |
| SYN | Synchronize Sequence | 初始化序列号，用于连接请求或接受报文 | 1=发起/接受连接；0=正常数据 | TCP三次握手（客户端SYN→服务端SYN+ACK→客户端ACK） | 不携带数据但消耗序列号，建立连接唯一方式 |
| FIN | Finish Transmission | 发送方数据已发送完毕，请求释放连接（可能仍有接收能力） | 1=终止连接；0=正常 | TCP四次挥手（客户端FIN→服务端ACK→服务端FIN→客户端ACK） | 即使无数据也消耗序列号，支持半关闭状态（如服务端继续发送数据） |
5）3次握手建立连接
| 阶段 | 客户端动作 | 服务端动作 | 报文标志位 | 关键作用 |
|---|---|---|---|---|
| 1. SYN_SENT | 发送SYN包（请求连接） | 监听端口，等待客户端请求 | SYN=1, seq=x | 客户端初始化序列号x，表示“我想建立连接”。 |
| 2. SYN_RCVD | 等待服务端响应 | 收到SYN后回复SYN+ACK包 | SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1 | 服务端确认客户端请求（ack=x+1），并初始化自身序列号y。 |
| 3. ESTABLISHED | 发送ACK包（确认连接） | 收到ACK后连接建立 | ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 | 客户端确认服务端响应，双方进入ESTABLISHED状态，可开始数据传输。 |
Q：为什么要进行3次握手？
A：1.以最短的方式验证全双工2.以最小的成本100%确认双方的通信意愿
6）4次回收释放连接
| 阶段 | 主动关闭方（客户端） | 被动关闭方（服务端） | 报文标志位 | 关键作用 |
|---|---|---|---|---|
| 1. FIN_WAIT_1 | 发送FIN包（请求关闭） | 收到FIN后进入CLOSE_WAIT状态 | FIN=1, seq=u | 客户端表示“我数据已发送完毕，但可能继续接收数据”。 |
| 2. CLOSE_WAIT | 等待服务端确认 | 回复ACK包 | ACK=1, seq=v, ack=u+1 | 服务端确认客户端关闭请求，但可能仍有数据未发送完。 |
| 3. LAST_ACK | （可选）继续接收数据 | 发送FIN包（服务端数据发送完毕） | FIN=1, ACK=1, seq=w, ack=u+1 | 服务端表示“我数据也发送完毕，可以关闭连接”。 |
| 4. TIME_WAIT | 回复ACK包（确认服务端关闭） | 收到ACK后进入CLOSED状态 | ACK=1, seq=u+1, ack=w+1 | 客户端确认服务端关闭，等待2MSL（最大报文段生存时间）后释放资源（防止延迟报文干扰）。 |
Q1：为什么主动断开连接的一方要进入TIME_WAIT？
A1：保证在传输方向上尚未达到的报文已经在网络中消散，不会引起下一次连接的错误
Q2：如果client已经退出或者关闭，服务器端不关闭会怎样？
A2：服务器会一直处于TIME_WAIT状态，依旧占用fd，连接没有释放
7）滑动窗口
发送方一次可以发送多少数据有自己的滑动窗口的大小决定
滑动窗口的大小=min（对方的接收能力，拥塞窗口的大小）
滑动窗口不可以向左滑动
8）快重传和超时重传
快重传的条件：连续收到3个重复确认
超时重传的条件：超时并且没有应答
9）拥塞控制
9.1）目标：避免网络过载
9.2）四大算法
| 算法名称 | 触发条件 | 核心行为逻辑 | 关键特点 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 慢启动（Slow Start） | 连接建立、超时重传后，或从快速恢复退出后（部分实现）。 | 1. 初始cwnd=1 MSS（或更小）。2. 每收到一个ACK， cwnd += 1 MSS（指数增长）。3. 达到 ssthresh后切换到拥塞避免。 | 快速探测带宽：指数增长迅速扩大发送窗口。 风险控制：避免一开始就发送大量数据导致网络过载。 | 连接初期、网络空闲后的数据传输启动阶段。 |
| 拥塞避免（Congestion Avoidance） | cwnd ≥ ssthresh，或从快速恢复退出后。 | 1. 每收到一个ACK，cwnd += 1 MSS / cwnd（线性增长，每轮RTT增加1 MSS）。2. 发生丢包时，进入快速重传/恢复。 | 保守增长：缓慢增加发送速率，防止触发拥塞。 稳定性优先：适合网络负载接近阈值时。 | 网络带宽接近饱和时的持续数据传输阶段。 |
| 快速重传（Fast Retransmit） | 收到3个重复ACK（表明中间有数据包丢失，但后续数据已到达接收方）。 | 1. 立即重传丢失的段（无需等待超时）。 2. 触发快速恢复，调整 ssthresh和cwnd。 | 快速响应丢包：比超时重传减少数秒等待时间。 依赖重复ACK：适用于部分丢包场景。 | 网络轻微拥塞或随机丢包时的快速恢复。 |
| 快速恢复（Fast Recovery） | 快速重传后（即收到3个重复ACK后）。 | 1. ssthresh = cwnd / 2（减半拥塞阈值）。2. cwnd = ssthresh + 3*MSS（补偿已离开网络的3个重复ACK对应的段）。3. 每收到一个重复ACK， cwnd += 1 MSS；收到新ACK后退出，进入拥塞避免。 | 避免慢启动：维持较高发送速率，减少性能波动。 补偿机制：通过重复ACK推断网络状态。 | 快速重传后的拥塞窗口调整，平衡效率与稳定性。 |
3.协议数据单元（PDU）：TCP的报文段，UDP的用户数据报
三、网络层
1.作用：通过路由算法（如Dijkstra）确定数据包从源到目标的最佳路径
2.主要协议：IP协议
1）TCP/IP协议的核心功能是将数据100%可靠从主机A传输到主机B
2）IP地址=网络号+主机号
3）子网划分
Q：问什么要进行子网划分？
A：未来查找目标主机时从目标网络中查找，从而提高效率
4）在网络通信中，私有IP不能出现在公网中，因为私有IP可以重复，这将导致从此发出的报文无法回来
5）每经过一个内网路由器进行src:ip替换，替换成当前路由器的wan口IP
6）将内网IP转换为公网IP需要借助NAT技术
3.协议数据单元（PDU）：IP数据报
四、数据链路层
1.作用：将网络层数据包封装为帧（Frame），添加帧头和帧尾。
2.主要协议：PPP协议
3.协议数据单元（PDU）：数据帧
4.数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测
五、物理层
1.作用：通过物理介质（如电缆、无线信号）传输比特流
2.协议数据单元（PDU）：比特