我的学习笔记

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本文字数: 5410 字 | 预计阅读: 37 分钟 | 最后更新于: 2026/09/03 12:59

2026-02-02-网络原理-TCP_IP ​

应用层 ​

虽然有很多已经实现好的协议，但是在实际开发中依然会“自定义协议”来满足业务需求

一般情况下，是通过 JSON 这个结构来传输数据的

序列化与反序列化 ​

  • 序列化：把对象变为结构化的字符串
  • 反序列化：把结构化的字符串转为对象

传输层 ​

传输层主要内容就是 UDP 与 TCP

UDP ​

UDP
UDP

它是由源端口，目的端口，长度，校验和，载荷（应用层的全部数据）组成的

  • 长度：占两个字节，最多表示64KB, 因此使用 UDP 协议的时候需要考虑数据量的大小
  • 校验和：校验数据是否正确，比如被修改或者损坏都会出现丢弃（不通知）

TCP ​

TCP结构
TCP结构

它是由源端口，目的端口，序号，确认序号，6位标志位，首部长度，窗口大小，校验和，应急指针，选项，数据组成的

  • 序号：发送的序号，用来表明发送的先后顺序
  • 确认序号：存储的是最后一个序号+1, 比如传入的序号是 1-1000 那么确认序号就是 1001
  • 首部长度：请求头的长度，单位是 4个字节

确认应答 ​

TCP-确认应答
TCP-确认应答

接收端接收到发送端的数据时候，会返回一个数据报用来相应，告诉发送端已经接收到了， 此时标志位 ACK 会被设置为 1，当然返回的数据报载荷是空的

发送端接收到接收端的 ACK 返回的数据，通过“确认序号”，知道接收端接收到了哪个数据

超时重传 ​

TCP-超时重传
TCP-超时重传

丢包是客观存在，所以当发生丢包后，就需要重新发送一次或者多次，达到重新传递的效果。

在一次丢包内，每次重新发送后等待的时间会逐渐变大

如何避免由于发送端没有收到确认应答而导致的数据重复发送问题？

通过阻塞队列来解决，如果队列中有数据报中的序号（或者是序号所对应的位置已经有数据了）， 那么可以直接丢弃来实现去重的效果。

而且把阻塞队列进行按照特定方式（比如时间戳）排序，就可以**解决“后发先至”**的问题

后发先至指的是数据由于网络波动等原因，导致发送端晚一点发送的数据先到接收端这一个现象

连接管理 ​

连接管理主要是建立连接（三次握手）和断开连接（四次挥手）

握手其实就是“打招呼”，里面不会传递应用层中“实质性”的数据， 它没有载荷，只是传递双方的基本信息而已，它主要的作用就是给通信双方提供必要的信息

三次握手 ​
TCP-连接管理-三次握手
TCP-连接管理-三次握手
和线程的生命周期一样，TCP 也会有相关的状态转换
  • CLOSED: 软件未启动
  • LISTEN: 服务端监听
  • SYN_SENT: 用户端发送 ACK
  • SYN_RCVD: 服务端收到 ACK
  • ESBALIED: TCP 成功建立

问题：

  • 为什么需要三次握手呢？

    1. 可以保证通信双方中间的通信没有太大问题
    2. 可以保证服务端与用户端发送与接收正常

      第一次握手（用户端发送 SYN），如果此时服务端收到，这就可以表明用户端发送与服务端接收正常

      第二次握手（服务端同时发送 SYN 和 ACK），如果用户端收到，这就可以表明服务端发送与用户端接收正常

      第三次握手（用户端发送 ACK），将双方通信正常的信息同步给服务端

    3. 可以传递一些参数，比如双方的序号的起始位置，方便后续的通信

  • 为什么序号不建议从1开始，而是使用一个“随机数”

    这是为了防止这样的情况：有一个TCP数据报，由于网络波动（过了较长时间），等到了服务端，这个端口是另一个连接的了

    而随机数可以比较好的缓解这个问题：通过判断数的差异，就可以判断出这个数据报是不是相对应的连接，如果不是那么就直接丢弃即可

  • TCP 能不能四次握手？两次呢？

    四次是可以的，两次是不行。

    因为三次就可以建立连接了，就算第四次什么也不做，那也是可以建立连接，但是没必要，因为这样网络开销就偏高了

    两次是可以从两个角度出发：

    1. 从理性分析出发，那些开发的大佬都必须写为三次，如果两次就可以了，就一定会写为两次，而且应该叫“两次握手”而不是三次握手
    2. 从目的出发，最后一步是要让服务端知道双方可以正常通信，如果没有最后一步，那么就会缺少一步，就正常通信不了
四次挥手 ​
TCP-连接管理-四次挥手
TCP-连接管理-四次挥手
四次挥手不同于三次握手，它的发起方即可以是服务端也可以是用户端

同样这也有几个状态，其中 TIME_WAIT 和 CLOSE_WAIT 是比较重要的

  • CLOSE_WAIT: 接收方等待关闭，如果看见有大量的这个状态，那么就需要考虑接收方有没有执行 close 来释放资源
  • TIME_WAIT: 发起方释放资源之前最后的等待时间

问题：

  • 四次挥手中，中间的那两步能不能合并为一步？

    可以合并，但是一般情况下不会合并

    因为接收方需要处理一系列的善后工作，比如释放资源，记录日志等工作

  • 为什么在最后发起方需要有 TIME_WAIT 这个状态，而不是直接变为 CLOSED ?

    如果接收方没有收到 ACK, 那它就会发 FIN，此时发起方已经释放资源了， 就自然不会发送 ACK 了，这就会导致接收方会一直发 FIN, 这显然是不合理的。

    为了照顾到这个情况，TIME_WAIT 的存活时间就会设置为两倍的 MSL, 这样在绝大部分场景下，都没问题

    MSL 是表示数据从一段到另一端最大的传输时间

滑动窗口 ​

TCP-滑动窗口
TCP-滑动窗口
它是用来提示传输效率的一个方式，没有它，他就会每次都需要等待 ACK 才会发送，这个会大大降低效率

那如果数据丢失了怎么办呢？ 它分为两个情况：数据段丢失和 ACK 确认包丢失

  • TCP-滑动窗口-ACK确认包
    TCP-滑动窗口-ACK确认包
    ACK 丢失，不需要重新传递，因为通过确认序号可以保证它之前的数据都是已经接收到了，发送端自然就可以不用重新发送
  • TCP-滑动窗口-数据段丢失
    TCP-滑动窗口-数据段丢失
    数据段丢失，此时接收方就会接收到多次确认序号相同的 ACK 数据报，如果达到 3 次，那么就会重新发送一份

    为什么是 3 次，而不是 2 次呢？ 这个是实验算出来的。

    比如发送方发送的顺序是 P1-P2-P3-P4，那么接收端收到的可能是 P2-P3-P1-P4。 如果设置为 2 次，可能就会导致重复发送而造成的宽带浪费，而设置 4 次又会导致等待时间太长，所以选择一个折中的方法，选择 3 次

这两个处理措施就是快速重传的基础

那么 确认应答+超时重传 不就会与 滑动窗口+快速重传 有出入了吗？如何理解呢？

它们两组是相互配合，取长补短的。

确认应答+超时重传适合传输频率比较低的场景，而滑动窗口+快速重传适用于传输频率较高的场景

流量控制 ​

TCP-流量控制
TCP-流量控制
流量控制是根据接收方的处理能力来制约发送方的发送效率：

  1. 发送方一直发送，如果没有反馈，那么窗口就会越来越大，速度也就越来越快

  2. 此时接收方就处理不过来了，在 ACK 的确认包里的窗口大小这个字段来告诉发送方应该调节的窗口大小

    可以通过缓冲区中的 总长度-使用长度 来表示窗口大小

  3. 到了极端情况，接收方的缓冲区已经满了，那么接收方就会告诉发送方不要在发送了，此时发送方就会停止发送“有效”的数据

  4. 为了知道什么时候可以发送数据，发送方就会定期发送一个只有最基本结构的数据报（窗口探测），用来判断接收方是否可以接收新的数据报，对方可以接收，那么就会返回一个合适的窗口

拥塞控制 ​

TCP-拥塞控制
TCP-拥塞控制
拥塞控制是根据中间线路的堵塞程度来制约的发送方的发送效率

由于中间链路是不能定量的描述，所以会通过做实验的方式来描述当前中间流量的流通情况

  1. 为了防止过大导致网络堵塞的问题，刚刚开始发送速度设置一个很小的初始值
  2. 接着在超过 ssthresh 这个变量之前，每一次都是以二倍速变快（指数增长）
  3. 超过了 ssthresh 后，增长速度就会从指数增长变为线性增长
  4. 如果连续三次收到相同的 ACK, 说明网络有丢包，那么就会降低发送速度
    • 方法一：窗口大小减半，然后线性增长
    • 方法二：窗口大小设置为很小的数，把 ssthresh 设置为原来窗口一半的大小，然后重复上诉 2/3/4 步骤（已经废弃）
  5. 通过上面这几个步骤，窗口大小就可以维持在一个平衡的区间内

问题

  • 拥塞控制与流量控制都是控制窗口，那么具体是以哪个为主呢？

    以它们的较小值为主。如果以较大者为主，那一定会有一个不满足，这样都会浪费大量的宽带资源

延迟应答 ​

延迟应答是提升效率的一种方式： ACK 返回之前会多等一会，让接收方多处理缓冲区的内容，这样可以使返回的窗口（流量控制）更大，增加效率。

由于缓冲区在延迟应答期间会接收发送方的数据，如果发送方发送过快，可能会导致缓冲区满了。又因为延迟应答，会导致在一定时间内都没有制约发送过快的问题，这就会导致效率不升反降的情况。

但是通过实验，发现这样的情况是少数的（类似与快排中的时间复杂度，是 log2⁡n ，所以延迟应答还是很有必要的

  • 如何配置延迟时间呢？

    1. 可以配置具体的时间，但是一定不能超过超时重传的时间
    2. 还可以是每请求 N 个数据报，只返回一个 ACK

携带应答 ​

TCP-携带应答
TCP-携带应答
携带应答是在延迟应答的基础上，进一步提升效率：由于延迟应答会多等一会，在等的过程中，如果这个主机发送了一个请求，那么就可以一起，而减少一次网络请求

携带应答就是可以把四次挥手变为 3 次的原因

面向字节流 ​

这里的字节流与文件IO中的字节流是一样的。

问题：如何解决粘包问题？（字节流的都有）

  • 方法1: 使用特殊字符来来分割。注意：传输的数据是不能有特殊字符
  • 方法2: 使用长度变量来表示当前数据的长度 这两种方法一般都会使用

异常情况 ​

异常情况分为 进程崩溃，主机关机，主机掉电，网线断开 这几类 如果有其他类，那么就自动推理一下

进程崩溃 ​
TCP-异常情况-进程崩溃
TCP-异常情况-进程崩溃
虽然进程崩溃听起来唬人，但是它和正常 TCP 断开一样，都是经历四次挥手后正常断开就可以了
主机关机 ​
TCP-异常情况-主机关机
TCP-异常情况-主机关机
主机关机和进程崩溃类似，就是主机关机强制关闭所有线程。但是最后由于关机了，可能来不及释放资源返回 ACK 就结束了。此时另一个主机就会超时重传，如果超过一定次数，那么就会发送 RST，此时就会关闭连接

RST 就是告诉对方己方要单方面断开连接，不会管对方是否会收到，这个仅仅是用来通知而已

主机掉电 ​

主机掉电是突然断开电源导致电脑关机，比如使用台式机忽然停电了。 它是分为发送方断电与接收方断电

  • TCP-异常情况-主机掉电-发送方断电
    TCP-异常情况-主机掉电-发送方断电
    发送方断电：由于发送方是忽然断开发送信息，接收方是无法判断对方停止发送了还是断电关机了，所以需要定时发送一个数据报来检测对方是否“活着”（心跳包），如果返回 ACK 那么就无事发生，如果在多次超时重传后依然没有，它就会发送 RST 强制关闭连接

    这样的类似的“心跳”机制在很多场景下都会有，比如分布式系统

  • TCP-异常情况-主机掉电-接收方断电
    TCP-异常情况-主机掉电-接收方断电
    接收方断电：发送方在一段时间内没收到 ACK，就会超时重传，如果多次都没有用，那么就会发送 RST 单方面断开连接
网线断开 ​

网线断开和主机掉电类似，只不过是变为发送方和接收方都断电了，处理过程参考主机掉电

问题 ​

  • 一个进程可以绑定不同端口吗？

    可以。一般情况下，软件都会有两个端口，一个是提供给普通用户使用的，另一个是给开发团队测试代码使用的

  • 一个端口可以绑定多个进程吗？

    可以。只有在源IP，源端口，目的IP，目的端口，协议这五个都一样才会触发“端口被占用”这个问题

  • TCP 中确认应答与响应的区别？

    问题-确认应答与响应区别
    问题-确认应答与响应区别
    • 确认应答是在传输层中实现的，而响应是在业务（应用层）中实现的
    • 只要是TCP, 都会确认应答，但是响应是由业务场景来决定的，如果不需要可以没有响应

网络层 ​

网络层中最主要的就是 IP 协议，这个是分配具体路径的

IP 协议格式 ​

IP-协议格式
IP-协议格式

  • 版本：表明这个 IP 的版本号，有 IPv4 和 IPv6

  • 首部长度：它也与 TCP 一样，是以 4 个字节为单位的，最大为 60 个字节

  • 服务类型：仅仅有四个是有效的，而且这四个只能有一个为1, 其余的必须为 0, 它们的表示意思分别为：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。（仅仅了解即可）

  • 总长度：它最大为 64KB，不能变大。那么它是如何处理大于 64KB 的数据呢？

    它内部有自动的拆包和分包，如果大于 64KB 那么就会自动拆包和分包，把大数据分为多分小数据

  • 标识：用来表示这个数据包是不是由同一个大数据拆分出来的，如果来自于同一个，那么它们的表示是一样的

  • 标志：里面有两个主要内容：表示是否触发拆包组包和是否是最后一个包

  • 片偏移：用来表示数据包的先后顺序的，这个是用来解决后发先至的问题

  • 生存时间(TTL)：用来表示数据包的存活时长，不过里面是存放的是可以转发的次数，而不是时间。每经过一次路由器，TTL 都会自动减一，如果为 0 了，那么就会自动丢弃。它是用来解决包无限转发而浪费大量宽带资源这样的情况

  • 协议：描述载荷的协议类似

  • 校验和：它是只校验首部的内容，不校验载荷

  • IP地址：表示发送端或者接收端

IP 资源紧缺的解决方案 ​

动态IP ​

顾名思义，就是每一次上网的IP 不是固定的，当你不上网的时候，就可以释放IP资源，给别人使用。

NAT 技术 ​

NAT 是让多台设备共用一个IP 资源，它极大的缓解了IP资源紧缺的问题。

比如 A 主动给 B 发送信息，那 B 必须为有公网的IP，不能在局域网下面，A 应该在局域网内，因为如果在公网内，就不涉及 NAT 了

IP-NAT
IP-NAT
步骤：
  1. A 发送(REQUEST)的数据经过路由器，路由器将数据包中的 IP 改为公网 IP, 并且将源IP, 源端口，目的IP，目的端口这些数据保留在一张映射表内
  2. B 接收到了数据后，会给他响应(RESPONSE)一个数据，然后通过映射表的数据，将数据传给A

问题：

  • 为什么B（公网） 给 A（局域网） 发送消息就不可以？

    因为此时没有映射表，数据就不清楚应该发给哪个局域网IP中的哪个端口

  • 如果在同一个局域网内的两个不同的IP使用同一个端口发送给公网中同一个IP中的同一个端口，那如何区分数据呢？

    可以给另一个IP 分配不同的端口即可

IPv6 ​

动态IP 和 NAT 只能缓解IP资源紧张的问题，而不能解决这个问题。而IPv6 是可以有 2128 个IP地址，这个是可以解决IP资源紧缺的问题

原因：

  1. NAT 管理起来很麻烦，而是由于要处理映射，速度快不起来
  2. NAT 在套一层的情况下，顶多翻个 65535 倍，这在目前互联网发展速度来看是有点不够用的

IP 地址划分 ​

前半部分是网络号，后半部分是主机号

同一个局域网下，主机号必须不一样；不同局域网，网络号必须也不一样
IP-地址划分
IP-地址划分
像图中这样，子网掩码为 255.255.255.0 的情况下，192.168.0.221 与 192.168.0.221 是在同一个局域网内；192.168.1.221 和 192.168.0.222 是在不同局域网内

特殊IP 地址 ​

特殊IP地址分为 内网地址，环回地址

  • 内网地址：192.168.*, 10.*, 172.16.*~172.31.*
  • 环回地址：127.*

其他：其中 0 是表示整个网段，255表示广播地址

路由选择 ​

先要明确一点，由于网络的复杂性，一个路由器是无法获取到当前网络的所有结构，也就不能像地图那样可以获取到最佳路线，而只能获取到一个较佳的路线。

IP-路由选择
IP-路由选择

以这图为例。 比如要从永康市发送给义乌市，永康市这个路由器就不找到，就会发给金华市，在金华市这个路由器就找到义乌市这个路径，就可以把数据发给义乌市了。 （实际上，网络是一个很复杂的结构，这个仅仅是用来帮助理解学习）

路由表创建

  • 可以手动创建
  • 也可以是通过一些算法自动创建

数据链路层 ​

数据链路层是管理数据在相邻两个机器上是如何通信的，类比于现实中从杭州到北京去上学，方式可以通过坐飞机，也可以坐高铁，还可以自驾

数据链路层
数据链路层
  • MAC地址：它是刻录在机器上的，每个机器都有唯一的一个
  • 类型：描述载荷中是什么样的数据类型，比如 IPv4, IPv6
  • 数据载荷：它最大只能是1500字节 (MTU)，因此在网络层还需要拆包，把大的数据拆分为小数据，这样才可以在数据链路层中传输

在数据链路层中，为了知道相邻机器地址，还会有一张“转发表”，它是通过 ARP 协议，将 MAC 与 IP 给联系起来

问题：

  • MAC 与 IP 区别：

    1. 个数区别
    2. 在数据链路层传递的时候，每次到不同的路由器/交换机上，MAC 是都会更新，但是 IP 就不会更新（不考虑 NAT 情况下）

  • 为什么 MAC 没有资源紧缺的问题，而 IP 却有？

    1. MAC 分配高效，IP 分配低效。比如 IP 由于地区限制，会导致总有一部分IP是冗余的；或者由于早期 IP 不合理的分配，导致大量 IP 浪费
    2. MAC 个数较多，IP 个数较少。

  • 数据链路层中除了以太网，还有哪些协议？（面试题）

    1. Wi-Fi
    2. 蓝牙
    3. 5G

其他内容 ​

DNS ​

DNS 全称叫作域名解析器，它是用来解决 IP 记忆比较抽象的这个问题。 为了方便管理，它是交给13台 DNS 根服务器来处理。比如 www.baidu.com 就可以比较方便的获取到百度的IP地址

这里的 IP 地址一般是 CDN 的 IP 地址，而不是源服务器的 IP 地址，这样可以增加安全性

问题：

  • 它是如何解决高并发的问题？

    1. 本地缓存
    2. 分布式集群，比如各个运营商/厂商的镜像构建

  • 它是如何存储的？

    它是分级存储，像 com, org, net, edu, cn, us 等一级域名存储在各个的最顶层服务器，它们里面都存储着各个的一级业务所对应的二级域名的 DNS 服务器地址。

    以此类推，二级域名的 DNS 服务器地址存储着三级域名的 DNS 服务器地址，...