网络协议及tcp协议详解

问题来源：面试中面试官会看到你的简历上写着熟悉网络、http、tcp协议等，那你真的了解他吗？今天它来了

 

一、网络协议：

 

层次说明：
第七层：应用层（http）
为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
第六层：表示层
处理两个通信系统中交换信息的表示方式。为上层用户解决用户信息的语法问题。包括数据格式交换、数据加密与解密、数据压缩与终端类型的转换。
第五层：会话层
在两个节点之间建立端连接。为端系统的应用程序之间提供了对话控制机制。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。
第四层：传输层（tcp）
为会话层用户提供一个端到端的可靠、透明和优化的数据传输服务机制。
第三层：网络层
网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。
第二层：数据链路层
在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
第一层：物理层
物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明的传送比特流。

 

二、tcp协议：

 

三次握手(three-way handshake)，建立TCP连接时会发生：
UserAgent > Server [SYN] 在么
Server > UserAgent [SYN, ACK] 在
UserAgent > Server [ACK] 知道了

四次挥手(four-way handshake)，关闭TCP连接时会发生：
UserAgent > Server [FIN] 我要关闭连接了
Server > UserAgent [ACK] 知道了,等我发完包先
Server > UserAgent [FIN] 我也关闭连接了
UserAgent > Server [ACK] 好的,知道了

 

说说TCP三次握手的过程？

第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。

TCP的报文格式是怎么样的？
重要字段：

序号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。标志位：共6个，即URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN等，具体含义如下：

1. URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
2. ACK：确认序号有效。
3. PSH：接收方应该尽快将这个报文交给应用层。
4. RST：重置连接。
5. SYN：发起一个新连接。
6. FIN：释放一个连接。

为什么要三次握手，两次不可以吗？
为了实现可靠数据传输，TCP协议的通信双方都必须维护一个序列号，以标识发送出去的数据包中，哪些是已经被对方收到的。三次握手的过程即是通信双方相互告知序列号起始值， 并确认对方已经收到了序列号起始值的必经步骤。如果只是两次握手，至多只有连接发起方的起始序列号能被确认，另一方选择的序列号则得不到确认.

如果已经建立了连接，但是客户端突然出现故障了怎么办？
客户端如果出现故障，服务器不能一直等下去，白白浪费资源。服务端有一个保活计时器，每收到一次客户端的请求后都会重新复位这个计时器，时间通常是设置为2小时，若两小时还没有收到客户端的任何数据，服务器就会发送一个探测报文段，以后每隔75秒钟发送一次。若一连发送10个探测报文仍然没反应，服务器就认为客户端出了故障，就关闭连接。

再说说TCP的四次挥手的过程？
由于TCP连接时全双工的，每个方向都必须要单独进行关闭，这一原则是当一方完成数据发送任务后，发送一个FIN来终止这一方向的连接，收到一个FIN只是意味着这一方向上没有数据流动了，即不会再收到数据了，但是在这个TCP连接上仍然能够发送数据，直到这一方向也发送了FIN。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方则执行被动关闭。

1. 第一次挥手：Client发送一个FIN，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后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。
3. 第三次挥手：Server发送一个FIN，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后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。

为什么要四次挥手，三次不可以吗？
因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来同步的。但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，"你发的FIN报文我收到了"。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。

 

三、不使用API手动实现一个http的类：

服务端步骤：

|- WSAStartup函数初始化
|- 创建Socket
|- 用bind指定对象
|- listen设置监听
|- accept接收请求
|- send发送会话
|- closesocket关闭socket

 

客户端步骤：

|- WSAStartup函数初始化
|- 创建Socket
|- connect请求连接
|- send发送会话
|- closesocket关闭socket

 

服务端代码：

#include "pch.h"
#include<iostream>
#include<winsock.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
using namespace std;
void initialization();
int main() {
//定义长度变量
int send_len = 0;
int recv_len = 0;
int len = 0;
//定义发送缓冲区和接受缓冲区
char send_buf[100];
char recv_buf[100];
//定义服务端套接字，接受请求套接字
SOCKET s_server;
SOCKET s_accept;
//服务端地址客户端地址
SOCKADDR_IN server_addr;
SOCKADDR_IN accept_addr;
initialization();
//填充服务端信息
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(5010);
//创建套接字
s_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (bind(s_server, (SOCKADDR *)&server_addr, sizeof(SOCKADDR)) == SOCKET_ERROR) {
cout << "套接字绑定失败！" << endl;
WSACleanup();
}
else {
cout << "套接字绑定成功！" << endl;
}
//设置套接字为监听状态
if (listen(s_server, SOMAXCONN) < 0) {
cout << "设置监听状态失败！" << endl;
WSACleanup();
}
else {
cout << "设置监听状态成功！" << endl;
}
cout << "服务端正在监听连接，请稍候...." << endl;
//接受连接请求
len = sizeof(SOCKADDR);
s_accept = accept(s_server, (SOCKADDR *)&accept_addr, &len);
if (s_accept == SOCKET_ERROR) {
cout << "连接失败！" << endl;
WSACleanup();
return 0;
}
cout << "连接建立，准备接受数据" << endl;
//接收数据
while (1) {
recv_len = recv(s_accept, recv_buf, 100, 0);
if (recv_len < 0) {
cout << "接受失败！" << endl;
break;
}
else {
cout << "客户端信息:" << recv_buf << endl;
}
cout << "请输入回复信息:";
cin >> send_buf;
send_len = send(s_accept, send_buf, 100, 0);
if (send_len < 0) {
cout << "发送失败！" << endl;
break;
}
}
//关闭套接字
closesocket(s_server);
closesocket(s_accept);
//释放DLL资源
WSACleanup();
return 0;
}
void initialization() {
//初始化套接字库
WORD w_req = MAKEWORD(2, 2);//版本号
WSADATA wsadata;
int err;
err = WSAStartup(w_req, &wsadata);
if (err != 0) {
cout << "初始化套接字库失败！" << endl;
}
else {
cout << "初始化套接字库成功！" << endl;
}
//检测版本号
if (LOBYTE(wsadata.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsadata.wHighVersion) != 2) {
cout << "套接字库版本号不符！" << endl;
WSACleanup();
}
else {
cout << "套接字库版本正确！" << endl;
}
//填充服务端地址信息

}

客户端代码：

#include "pch.h"
#include<iostream>
#include<winsock.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
using namespace std;
void initialization();
int main() {
//定义长度变量
int send_len = 0;
int recv_len = 0;
//定义发送缓冲区和接受缓冲区
char send_buf[100];
char recv_buf[100];
//定义服务端套接字，接受请求套接字
SOCKET s_server;
//服务端地址客户端地址
SOCKADDR_IN server_addr;
initialization();
//填充服务端信息
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(1234);
//创建套接字
s_server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (connect(s_server, (SOCKADDR *)&server_addr, sizeof(SOCKADDR)) == SOCKET_ERROR) {
cout << "服务器连接失败！" << endl;
WSACleanup();
}
else {
cout << "服务器连接成功！" << endl;
}

//发送,接收数据
while (1) {
cout << "请输入发送信息:";
cin >> send_buf;
send_len = send(s_server, send_buf, 100, 0);
if (send_len < 0) {
cout << "发送失败！" << endl;
break;
}
recv_len = recv(s_server, recv_buf, 100, 0);
if (recv_len < 0) {
cout << "接受失败！" << endl;
break;
}
else {
cout << "服务端信息:" << recv_buf << endl;
}

}
//关闭套接字
closesocket(s_server);
//释放DLL资源
WSACleanup();
return 0;
}
void initialization() {
//初始化套接字库
WORD w_req = MAKEWORD(2, 2);//版本号
WSADATA wsadata;
int err;
err = WSAStartup(w_req, &wsadata);
if (err != 0) {
cout << "初始化套接字库失败！" << endl;
}
else {
cout << "初始化套接字库成功！" << endl;
}
//检测版本号
if (LOBYTE(wsadata.wVersion) != 2 || HIBYTE(wsadata.wHighVersion) != 2) {
cout << "套接字库版本号不符！" << endl;
WSACleanup();
}
else {
cout << "套接字库版本正确！" << endl;
}
//填充服务端地址信息

}

 

参考：

https://blog.csdn.net/qq_27923041/article/details/83857964?utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

 

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