OSI | TCP / UDP 常见面试题

OSI 模型是什么
有哪些协议是基于 TCP 的，哪些是基于 UDP 的
为什么建立连接需要三次握手，而断开连接需要四次握手
TCP首部长度，有哪些字段
三次握手过程中有哪些不安全性
TCP协议如何解决拥塞

什么是 OSI 模型？

开放系统互连模型是国际标准化组织创建的概念模型，它使各种通信系统能够使用标准协议进行通信。简单而言，OSI 为保证不同计算机系统能够相互通信提供了标准。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/32059190

osi 七层网络模型	TCP/IP 四层概念模型	基本作用	对于网络协议
应用层	应用层	为应用程序提供网络服务	HTTP、TFTP、FTP、NFS、WAIS、SMTP
表示层		数据格式化、加密、解密	Telent、Rlogin、SNMP、Gopher
会话层		建立、维护、管理会话连接	SMTP、DNS
传输层	传输层	建立、维护、管理端到端连接	TCP、UDP
网络层	网络层	IP 寻址和路由选择	IP、ICMP、ARP、RARP、AKP、UUCP
数据链路层	数据链路层	控制网络层与物理层之间通信	FDDI、Ethernet、Arpanet、PDN、SLIP、PPP
物理层	数据链路层	比特流传输	IEEE 802.1A IEEE802.2 到 802.11

有哪些协议是基于 TCP 的，哪些是基于 UDP 的？

TCP与UDP区别

TCP---传输控制协议,提供的是面向连接、可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建立一个TCP连接，之后才能传输数据。TCP提供超时重发，丢弃重复数据，检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。
UDP---用户数据报协议，是一个简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。

使用TCP协议的常见端口主要有以下几种：

（1） FTP：定义了文件传输协议，使用21端口。常说某某计算机开了FTP服务便是启动了文件传输服务。下载文件，上传主页，都要用到FTP服务。

（2） Telnet：它是一种用于远程登陆的端口，用户可以以自己的身份远程连接到计算机上，通过这种端口可以提供一种基于DOS模式下的通信服务。如以前的BBS是-纯字符界面的，支持BBS的服务器将23端口打开，对外提供服务。

（3） SMTP：定义了简单邮件传送协议，现在很多邮件服务器都用的是这个协议，用于发送邮件。如常见的免费邮件服务中用的就是这个邮件服务端口，所以在电子邮件设置-中常看到有这么SMTP端口设置这个栏，服务器开放的是25号端口。

（4） POP3：Post Office Protocol 3的简称,即邮局协议的第3个版本，它是和SMTP对应，POP3用于接收邮件。通常情况下，POP3协议所用的是110端口。也是说，只要你有相应的使用POP3协议的程序（例如Fo-xmail或Outlook），就可以不以Web方式登陆进邮箱界面，直接用邮件程序就可以收到邮件（如是163邮箱就没有必要先进入网易网站，再进入自己的邮-箱来收信）。

（5）HTTP：这是大家用得最多的协议，它就是常说的"超文本传输协议"。上网浏览网页时，就得在提供网页资源的计算机上打开80号端口以提供服务。常说"WWW服-务"、"Web服务器"用的就是这个端口。

使用UDP协议端口常见的有：

（1）RIP：路由选择信息协议（RIP）是一种在网关与主机之间交换路由选择信息的标准

（2） DNS：用于域名解析服务，这种服务在Windows NT系统中用得最多的。因特网上的每一台计算机都有一个网络地址与之对应，这个地址是常说的IP地址，它以纯数字+"."的形式表示。然而这却不便记忆，于是出-现了域名，访问计算机的时候只需要知道域名，域名和IP地址之间的变换由DNS服务器来完成。DNS用的是53号端口。

（3） SNMP：简单网络管理协议，使用161号端口，是用来管理网络设备的。由于网络设备很多，无连接的服务就体现出其优势。

（4） OICQ：OICQ程序既接受服务，又提供服务，这样两个聊天的人才是平等的。OICQ用的是无连接的协议，也是说它用的是UDP协议。OICQ服务器是使用8-000号端口，侦听是否有信息到来，客户端使用4000号端口，向外发送信息。如果上述两个端口正在使用（有很多人同时和几个好友聊天），就顺序往上加。

TCP、UDP和HTTP关系

1、TCP/IP是个协议组，可分为三个层次：网络层、传输层和应用层。
在网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。
在传输层中有TCP协议与UDP协议。
在应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。
因此，HTTP本身就是一个协议，是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

2、HTTP协议是建立在请求/响应模型上的。首先由客户建立一条与服务器的TCP链接，并发送一个请求到服务器，请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息。服务器响应一个状态行，包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。
HTTP/1.0为每一次HTTP的请求/响应建立一条新的TCP链接，因此一个包含HTML内容和图片的页面将需要建立多次的短期的TCP链接。一次TCP链接的建立将需要3次握手。
另外，为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性，因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法。HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

3、结论：虽然HTTP本身是一个协议，但其最终还是基于TCP的。不过，目前，有人正在研究基于TCP+UDP混合的HTTP协议。

为什么建立连接需要三次握手，而断开连接需要四次握手？

序列号seq： 用来标记数据段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号seq就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。
确认号ack： 期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号；序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号；而确认号指的是期望接收到下一个字节的编号；因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号。
确认ACK： 仅当ACK=1时，确认号字段才有效。ACK=0时，确认号无效
同步SYN： 连接建立时用于同步序号。当SYN=1，ACK=0时表示：这是一个连接请求报文段。若同意连接，则在响应报文段中使得SYN=1，ACK=1。因此，SYN=1表示这是一个连接请求，或连接接受报文。SYN这个标志位只有在TCP建产连接时才会被置1，握手完成后SYN标志位被置0。
终止FIN： 用来释放一个连接。FIN=1表示：此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接

这是因为服务端在LISTEN状态下，收到建立连接请求的SYN报文后，把ACK和SYN放在一个报文里发送给客户端。

而关闭连接时，当收到对方的FIN报文时，仅仅表示对方不再发送数据了但是还能接收数据，己方也未必全部数据都发送给对方了，

所以己方可以立即close，也可以发送一些数据给对方后，再发送FIN报文给对方来表示同意现在关闭连接，因此，己方ACK和FIN一般都会分开发送。

https://blog.51cto.com/853056088/2152764

TCP首部长度，有哪些字段？

TCP首部包括20字节的固定首部部分及长度可变的其他选项，所以TCP首部长度可变。20个字节又分为5部分，每部分4个字节32位，如图中的5行，每行表示32位。
在传输层，TCP报文段包括：TCP首部和TCP数据部分；
在网络层，TCP报文段成为IP数据部分，加上IP首部组成IP数据报；
在数据链路层，还要在IP数据报前面加上数据链路层的首部

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三次握手过程中有哪些不安全性？

SYN flood 泛洪攻击

伪装的IP向服务器发送一个SYN请求建立连接，然后服务器向该IP回复SYN和ACK，但是找不到该IP对应的主机，当超时时服务器收不到ACK会重复发送。当大量的攻击者请求建立连接时，服务器就会存在大量未完成三次握手的连接，服务器主机backlog被耗尽而不能响应其它连接。即SYN flood泛洪攻击
　　防范措施：
　　1、降低SYN timeout时间，使得主机尽快释放半连接的占用
　　2、采用SYN cookie设置，如果短时间内连续收到某个IP的重复SYN请求，则认为受到了该IP的攻击，丢弃来自该IP的后续请求报文
　　3、在网关处设置过滤，拒绝将一个源IP地址不属于其来源子网的包进行更远的路由

Land 攻击

当一个主机向服务器发送SYN请求连接，服务器回复ACK和SYN后，攻击者截获ACK和SYN。然后伪装成原始主机继续与服务器进行通信 , 目标地址和源地址都是目标本身,自己联系自己

TCP协议如何解决拥塞？

常见的 TCP 拥塞控制算法

Reno : 它将拥塞控制的过程分为四个阶段：慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复

慢启动阶段思路是不要一开始就发送大量的数据，先探测一下网络的拥塞程度，也就是说由小到大逐渐增加拥塞窗口的大小，在没有出现丢包时每收到一个 ACK 就将拥塞窗口大小加一（单位是 MSS，最大单个报文段长度），每轮次发送窗口增加一倍，呈指数增长，若出现丢包，则将拥塞窗口减半，进入拥塞避免阶段；
当窗口达到慢启动阈值或出现丢包时，进入拥塞避免阶段，窗口每轮次加一，呈线性增长；当收到对一个报文的三个重复的 ACK 时，认为这个报文的下一个报文丢失了，进入快重传阶段，要求接收方在收到一个失序的报文段后就立即发出重复确认（为的是使发送方及早知道有报文段没有到达对方，可提高网络吞吐量约20%）而不要等到自己发送数据时捎带确认；
快重传完成后进入快恢复阶段，将慢启动阈值修改为当前拥塞窗口值的一半，同时拥塞窗口值等于慢启动阈值，然后进入拥塞避免阶段，重复上述过程。

BBR : BBR 算法不将出现丢包或时延增加作为拥塞的信号，而是认为当网络上的数据包总量大于瓶颈链路带宽和时延的乘积时才出现了拥塞，所以 BBR 也称为基于拥塞的拥塞控制算法（Congestion-Based Congestion Control），其适用网络为高带宽、高时延、有一定丢包率的长肥网络，可以有效降低传输时延，并保证较高的吞吐量

BBR 算法周期性地探测网络的容量，交替测量一段时间内的带宽极大值和时延极小值，将其乘积作为作为拥塞窗口大小，使得拥塞窗口始的值始终与网络的容量保持一致。

所以 BBR 算法解决了两个比较主要的问题：

在有一定丢包率的网络链路上充分利用带宽。
适合高延迟、高带宽的网络链路。
降低网络链路上的 buffer 占用率，从而降低延迟。
适合慢速接入网络的用户。

什么是 TCP 拥塞控制?

TCP 拥塞控制的目标是最大化利用网络上瓶颈链路的带宽。

简单来说是将网络链路比喻成一根水管，如果我们希望尽可能地使用网络传输数据，方法就是给水管注水，就有如下公式：

水管内的水的数量 = 水管的容积 = 水管粗细 × 水管长度

对应的网络名词就是：

网络内尚未被确认收到的数据包数量 = 网络链路上能容纳的数据包数量 = 链路带宽 × 往返延迟

总结

目前有非常多的 TCP 的拥塞控制协议，例如：

基于丢包的拥塞控制：将丢包视为出现拥塞，采取缓慢探测的方式，逐渐增大拥塞窗口，当出现丢包时，将拥塞窗口减小，如 Reno、Cubic 等。
基于时延的拥塞控制：将时延增加视为出现拥塞，延时增加时增大拥塞窗口，延时减小时减小拥塞窗口，如 Vegas、FastTCP 等。
基于链路容量的拥塞控制：实时测量网络带宽和时延，认为网络上报文总量大于带宽时延乘积时出现了拥塞，如 BBR。
基于学习的拥塞控制：没有特定的拥塞信号，而是借助评价函数，基于训练数据，使用机器学习的方法形成一个控制策略，如 Remy。

从使用的角度来说，我们应该根据自身的实际情况来选择自己机器的拥塞控制协议（而不是跟风 BBR），同时对于拥塞控制原理的掌握（尤其是掌握 Reno 的控制机理和几个重要阶段）可以加强对于网络发包机制的了解，在排查问题或面对面试的时候有更好的表现。

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