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。