面试之网络基础

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面试之网络基础
零、基础知识

OSI七层理论体系结构
1. 物理层：解决两台主机的通信问题——A往B发送比特流（0101），B能接收到这些比特流。定义了物理设备的标准如网线的类型，光纤的接口类型以及传输介质的传输速率等。
2. 数据链路层：由于物理层上的传输的比特流可能会出现错传、误传等，所以数据链路层定义了如何格式化数据即将比特流封装成帧，提供了错误检测。
3. 网络层：随着节点的增加，点对点通信是需要经过多个节点的，如何找到目标节点，如何找到最优路径变成为了首要需求。所以出现了网络层，主要目的是将网络地址翻译成对应的物理地址，分组传输、路由选择，本层的传输单位是数据报（分组），本层需要注意的TCP/IP协议中的TCP协议。
4. 传输层：随着网络需要的进一步扩大，通信过程中需要传输大量的数据，网络可能会发生中断，为了保证传输大量文件时的准确性，需要对发送的数据进行切分，切分成一个个的segment进行发送，考虑如何在接受方拼接切分的segment组成完整的数据，以及发现丢失segment时该如何处理，需要注意的协议TCP、UDP。
5. 会话层：不同机器上的用户之间建立以及管理会话。用于保证应用程序自动收发包和寻址。
6. 表示层：信息的语义语法，加密解密，转换翻译，压缩解压缩。
7. 应用层：规定双方必须使用固定长度的消息头，且消息头必须记录消息长度等信息。需要注意的是TCP/IP协议中的HTTP协议。
TCP/IP四层模型

是OSI的一种实现，包括应用层、运输层、网际层和网络接口层。

一、TCP的三次握手

传输控制协议TCP：
- 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
- 将应用层的数据流分割成报文段并发送给目标节点的TCP层。
- 数据包都有序号，对方收到则发送ACK确认，未收到则重传。
- 使用校验和来检验数据在传输过程中是否有误。
序号字段的值则指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号。

确认号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报文段的数据的第一个字节的序号。

确认 ACK —— 只有当 ACK = 1 时确认号字段才有效。

同步 SYN —— 同步 SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文。

终止 FIN (FINish) —— 用来释放一个连接。FIN = 1 表明此报文段的发送端的数据已发送完毕，并要求释放运输连接。

TCP的三次握手回答：
1. 第一次握手：建立连接时，客户端发送请求SYN包，SYN=1，seq=x，客户端进入SYN_SENT状态，等待服务器的确认。
2. 第二次握手：服务器收到SYN报文段，需要对这个SYN报文段进行确认，设置ack=x+1,同时自己还要发送SYN请求信息给客户端，所以SYN=1，seq=y。服务器将上述信息放到SYN+ACK报文段中一并发给客户端，此时服务器进入SYN_RECV状态。
3. 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(其中ack=y+1)，此包发送完毕后，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
二、TCP的四次挥手

TCP的四次挥手回答：TCP采用四次挥手来释放连接。
1. 第一次挥手：Client发送一个FIN包，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态；
2. 第二次挥手：Server收到FIN包后，发送一个ACK包给Client，其中确认序号ack为收到序号+1，Server进入CLOSE_WAIT状态；
3. 第三次挥手：Server发送一个FIN包用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态；
4. 第四次挥手：Client收到FIN包后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK包给Server，确认序号ack为收到序号+1,Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。
为什么有TIME_WAIT状态？
1. 确保有足够的时间让对方收到ACK包
2. 避免新旧连接混淆
为什么需要四次挥手才能断开连接？

因为全双工，发送方和接收方都需要FIN报文和ACK报文。

三、TCP和UDP的区别

UDP报文示意图：

UDP的特点：
- 面向非连接的
- 不维护连接状态，支持同时向多个客户端传输相同的消息
- 数据包报头只有8个字节（源端口、目的端口、长度、校验和），额外开销较小
- 吞吐量只受限于数据生成速率、传输速率以及机器性能
- 尽最大努力交付，不保证可靠交付，不需要维持复杂的连接状态表
- 面向报文，不对应用程序提交的报文进行拆分或者合并
TCP和UDP的区别回答：
1. TCP是面向连接的，UDP是无连接的
2. TCP比UDP是更可靠的（握手和确认重传机制）
3. TCP是有序的，UDP是无序的。
4. TCP速度相比UDP慢（需要建立连接）
5. TCP相比UDP的开销更大（TCP首部20个字节，UDP首部8个字节）
四、HTTP与HTTPS

HTTP是在TCP/IP四层模型中的协议，超文本传输协议HTTP主要特点如下：
- 支持客户端/服务器模式
- 简单快速
- 灵活
- 无连接
- 无状态
面：在浏览器地址栏中输入URL，按下回车之后经历的流程

回答：
1. DNS解析：首先浏览器会根据URL逐层查询DNS服务器缓存，解析URL中域名所对应的IP地址，DNS缓存从近到远依次是：浏览器缓存，系统缓存，路由器缓存，IPS服务器缓存，根域名服务器缓存，顶级域名服务器缓存，当找到IP后，直接返回无需查询下一层缓存。
2. TCP连接：根据IP和端口（默认80）和服务器建立TCP连接，通过TCP的三次握手。
3. 发送HTTP请求
4. 服务器处理请求并返回HTTP报文
5. 浏览器解析响应报文并渲染页面
6. 连接结束，浏览器释放TCP连接，通过TCP的四次挥手。
面：说说常见的HTTP状态码。

答：HTTP响应状态码有5种可能的取值：
- 1xx：指示信息--表示请求已接收，继续处理
- 2xx：成功--表示请求已被成功接收、理解、接受
- 3xx：重定向--要完成请求必须进行更进一步的操作
- 4xx：客户端错误--请求有语法错误或请求无法实现
- 5xx：服务器端错误--服务器未能实现合法的请求。
面：GET请求和POST请求的区别
1. Http报文层面：GET请求将请求信息放在URL中，POST将请求信息放在报文体中
2. 数据库层面：GET符合幂等性（对数据库的一次操作或多次操作获得的结果是一致的）和安全性（对数据库的操作没有改变数据库的数据），POST不符合。
3. 其他层面：GET请求可以被缓存、被存储，而POST不行
Cookie和Session的区别

Cookie简介：
- 是由服务器发给客户端的特殊信息，以文本的形式存放在客户端
- 客户端再次请求时，会把Cookie回发
- 服务器接收到后，会解析Cookie生成与客户端相对应的内容
Cookie的设置以及发送过程如下：

Session简介：
- 服务器端的机制，在服务器上保存的信息
- 解析客户端请求并操作session id，按需保存状态信息
Session的实现方式：
1. 使用Cookie实现
2. 使用URL回写来实现（返回给浏览器的所有链接中都携带JSESSIONID参数）
面：Cookie和Session的区别
1. Cookie数据存放在客户的浏览器上，Session数据放在服务器上
2. Session相对于Cookie更安全
3. 若考虑减轻服务器的负担，应当使用Cookie
HTTPS

HTTPS相对于HTTP就是多了一层SSL（Security Sockets Layer，安全套接层）。SSL定义如下：
- 为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议
- 是操作系统对外的API，SSL3.0后更名为TLS
- 采用身份验证和数据加密保证网络通信的安全和数据的完整性
加密的方式：
- 对称加密：加密和解密都使用同一密钥
- 非对称加密：加密使用的密钥和解密使用的密钥是不同的
- 哈希算法：将任意长度的信息转为固定长度的值算法不可逆
- 数字签名：证明某个消息或者文件是某人发出/认同的
HTTPS数据传输流程：
- 浏览器将支持的加密算法信息发送给服务器
- 服务器选择一套浏览器支持的加密算法，以证书的形式回发浏览器
- 浏览器验证证书合法性，并结合证书公钥加密信息发送给服务器
- 服务器使用私钥解密信息，验证哈希，加密响应消息回发浏览器
- 浏览器解密响应消息，并对消息进行验证，之后进行加密交互数据
面：HTTP和HTTPS的区别
1. HTTPS需要到CA申请证书，HTTP不需要
2. HTTPS密文传输，HTTP明文传输
3. 连接方式不同，HTTPS默认使用443端口，HTTP使用80端口
4. HTTPS=HTTP+加密+认证+完整性保护，较HTTP安全
五、Socket

我们知道如果两个进程如果要进行通信的话，那么首先应该能够唯一地标识这2个进程，在本地进程中我们可以使用PID唯一标识进程，那么在网络中呢？在网络中，各个主机的PID可能会重复，因此光靠PID就不能唯一标识进程了。前面我们知道TCP/IP协议中的IP能够唯一标识主机，而TCP/IP中的端口号又能唯一标识相应主机的唯一进程，因此可以通过IP+协议+端口号来唯一标识网络中的一个进程。Socket就是通过这种方式来进行网络中进程的通信的。

Socket是对TCP/IP协议的抽象，是操作系统对外开放的接口。

Socket通信流程图如下：

Socket相关的面试题：编写一个网络应用程序，有客户端和服务端，客户端向服务器发送一个字符串，服务器收到该字符串后将其打印到命令行上，然后向客户端返回给字符串的长度，最后客户端输出服务端返回的该字符串的长度，分别用TCP和UDP两种方式实现。
- TCP方式
```
package com.yunche.socket;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * @ClassName: TCPServer
 * @Description: TCP服务端
 * @author: yunche
 * @date: 2019/03/11
 */
public class TCPServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建socket,并将socket绑定到65000端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(65000);
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        while (true) {
            //监听65000端口，直到客户端返回连接信息才返回
            Socket socket = serverSocket.accept();
            //获取客户端的的请求信息，执行相关的业务逻辑
            executor.execute(()->{
                try {
                    service(socket);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }

    private static void service(Socket socket) throws IOException {
        //获取socket的输入流
        InputStream is = socket.getInputStream();
        //获取socket的输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //读取的字节数
        int ch = is.read(bytes);
        String content = new String(bytes, 0, ch);
        //输出收到的字符串
        System.out.println(content);
        //往输出流中写服务端收到的客户端的字符串的长度
        os.write(String.valueOf(content.length()).getBytes());

        //关闭流以及socket
        is.close();
        os.close();
        socket.close();
    }
}
```
```
package com.yunche.socket;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

/**
 * @ClassName: TCPClient
 * @Description: TCP客户端
 * @author: yunche
 * @date: 2019/03/11
 */
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建socket，并指定连接的是本机的端口为65000的服务器socket
        Socket socket = new Socket("localhost", 65000);
        //获取输出流
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        //获取输入流
        InputStream is = socket.getInputStream();
        //将要传递给server的字符串参数转换成byte数组，并将数组写入到输出流中
        os.write("hello world".getBytes());
        //用来读取输入的内容，即从服务器返回的字符串长度
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int ch = is.read(bytes);
        String len = new String(bytes, 0, ch);
        System.out.println(len);

        //关闭相应的流以及socket
        is.close();
        os.close();
        socket.close();
    }
}
```
- UDP方式
```
package com.yunche.socket;

import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * @ClassName: UDPServer
 * @Description:
 * @author: yunche
 * @date: 2019/03/11
 */
public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建一个底层是UDP的socket
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket(65001);
        //存储从客户端接受到的内容
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        //接受客户端发送过来的内容，并将内容封装进DatagramPacket对象中
        socket.receive(packet);

        //从DatagramPacket对象中获取到真正存存储的数据
        byte[] data = packet.getData();
        //将数据从二进制转换成字符串
        String content = new String(data, 0, packet.getLength());
        System.out.println(content);

        //将要发送给客户端的数据转为二进制
        byte[] len = String.valueOf(content.length()).getBytes();
        //服务端给客户端发送数据报
        //从DatagramPacket对象中获取到数据的来源地址与端口号
        DatagramPacket packetToClient = new DatagramPacket(len, len.length, packet.getAddress(),packet.getPort());
        socket.send(packetToClient);
        }
}
```
```
package com.yunche.socket;

import java.io.IOException;
import java.net.*;

/**
 * @ClassName: UDPClient
 * @Description: UDP客户端
 * @author: yunche
 * @date: 2019/03/11
 */
public class UDPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //客户端发送数据报给服务端
        DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
        byte[] bytes = "Hello world".getBytes();
        //将IP地址封装成InetAddress对象
        InetAddress address = InetAddress.getByName("localhost");
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, address,65001);
        //发送数据给服务端
        socket.send(packet);

        //客户端接受从服务端返回的数据报
        byte[] data = new byte[1024];
        DatagramPacket receivePacket = new DatagramPacket(data, data.length);
        socket.receive(receivePacket);
        String len = new String(data, 0, receivePacket.getLength());
        System.out.println(len);
    }
}
```
参考资料

慕课网剑指Java面试-Offer直通车

OSI七层模型详解
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原文地址：https://www.cnblogs.com/yunche/p/10510172.html

面试之网络基础

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TCP/IP四层模型

一、TCP的三次握手

二、TCP的四次挥手

三、TCP和UDP的区别

四、HTTP与HTTPS

Cookie和Session的区别

HTTPS

五、Socket

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