2.6 网络面试问题
tcp 与 udp的区别
1.tcp 是基于连接的 UDP是基于数据包
2.处理并发的方式不通
a.tcp用epoll进行监听的
b. udp是模拟tcp的连接过程，服务端开放一个IP端口，收到连接后，服务端用另一个IP和端口发包给客户端。
3.tcp根据协议MTU黏包及分片 或 默认30ms的延迟发送黏包及分片， 接收端则需要分包，分包有两种分包方案。
tcp分包方案1：可以给包头（用户数据的头）前几个字节（自己定）存放包长，接收端先解析长度，一次性接收整包长度后再接收下一包。
tcp分包方案2：包的末尾可以加分割符 ，比如\r\n\r\n, 检索分隔符以确认分包的位置。
tcp 的两种方案都是基于tcp的有序接收来处理的。
udp是无序的，发送端没有黏包。每包的最大长度就是MTU的值。如果接收端需要有序接收则需要发送端给每个包编上号码，接收端则重新排序。
4.使用场景不同 tcp因为有延迟确认，注定了tcp无法应用到快速响应场景中，游戏，直播。UDP则可以
5.tcp适合长连接，因为有握手和挥手。udp适合短连接，一次发送 一次响应的那种，比如DNS请求
DNS 请求报文通常使用 UDP 协议，并且使用端口号 53。UDP 协议适用于 DNS 因为它简单且开销低，适合快速的请求和响应场景。
但在某些情况下，DNS 也会使用 TCP 协议：
- 响应数据大于 512 字节：如果 DNS 响应的内容较多（如包含许多记录或 DNSSEC 数据），UDP 数据包无法容纳，客户端会通过 TCP 重新请求。
- 区域传送 (Zone Transfer)：区域传送（如在主从 DNS 服务器之间同步区域数据）使用 TCP 协议。
- EDNS（扩展 DNS）：启用 EDNS 后，UDP 包的大小上限可以增加，但如果数据依然超出，仍然会切换到 TCP。
总结来说，常规 DNS 查询使用 UDP，大数据或特殊情况切换到 TCP。
MTU的讨论
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MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）限制的是网络数据帧中 有效负载（payload） 的最大字节长度，即 IP 数据包中的数据部分的最大大小。
通常，MTU 的限制包括以下内容：
- IP 层数据：对于 IPv4 网络，标准的以太网 MTU 为 1500 字节，这表示 IP 数据包的最大大小（包括 IP 头部和数据部分）不能超过 1500 字节。
- 链路层帧：以太网帧的总大小会包含以太网头部（通常为 14 字节）和 CRC 校验部分（通常为 4 字节），因此，最终传输的以太网帧总长度为 1500 + 14 + 4 = 1518 字节（如果启用了 VLAN，额外增加 4 字节）。
MTU 限制的关键点
- 应用层数据：在传输时会被拆分成更小的 IP 数据包片段，以适应 MTU 限制。
- IP 分片：如果数据包大于 MTU，会在传输时分片。
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在已知 MTU 的情况下，TCP 和 UDP 的 IP 头部长度、TCP/UDP 头部长度都是固定的，因此可以计算出用户负载（payload）的数据长度。
具体计算方法
假设标准的以太网 MTU 为 1500 字节，并且我们在 IPv4 环境下：
1. IP 头部
- IPv4 头部长度：通常为 20 字节（无选项字段时）。
- IPv6 头部长度：固定为 40 字节（无选项字段时）。
2. TCP 和 UDP 头部
- TCP 头部长度：通常为 20 字节（无选项字段时）。
- UDP 头部长度：固定为 8 字节。
计算用户负载长度
1. TCP 数据包的有效负载（以 IPv4 为例）
- 总 MTU 为 1500 字节。
- 减去 IP 头部（20 字节）和 TCP 头部（20 字节）： 1500−20−20=1460 字节1500 - 20 - 20 = 1460 \text{ 字节}1500−20−20=1460 字节
- 因此，对于标准的 IPv4 TCP 包，用户数据的最大长度是 1460 字节。
2. UDP 数据包的有效负载（以 IPv4 为例）
- 总 MTU 为 1500 字节。
- 减去 IP 头部（20 字节）和 UDP 头部（8 字节）： 1500−20−8=1472 字节1500 - 20 - 8 = 1472 \text{ 字节}1500−20−8=1472 字节
- 因此，对于标准的 IPv4 UDP 包，用户数据的最大长度是 1472 字节。
结果总结
在 IPv4 环境下：
- TCP：用户数据最大为 1460 字节。
- UDP：用户数据最大为 1472 字节。
这种计算方式依赖于默认的头部大小，如果有其他选项字段（如 IP 选项、TCP 选项），则用户数据的最大长度会相应减少。
IP头和TCP的选项字段一般都有可能是什么
在 IP 和 TCP 协议中，选项字段是可选的附加字段，通常用于扩展功能或优化网络性能。以下是 IP 和 TCP 中常见的选项字段：
1. IP 头部选项字段
IP 头部选项字段通常在 IPv4 中使用较多，IPv6 则使用扩展头来处理类似功能。IPv4 的 IP 头部选项字段的最大长度是 40 字节，一般包括以下内容：
- 记录路由 (Record Route, RR)：记录数据包在经过的路由器的 IP 地址，以帮助网络诊断和追踪路径。通常限制最多记录 9 个路由器地址。
- 时间戳 (Timestamp)：记录数据包经过的每个路由器的时间戳，用于网络时延测量。
- 松散源路由 (Loose Source Routing, LSR)：允许发送方指定数据包经过的部分路由节点，其他节点则由路由器自动选择。该选项有助于绕过拥塞路由，但较少使用。
- 严格源路由 (Strict Source Routing, SSR)：要求数据包必须严格按照指定的路由节点传输，不允许自动选择其他路径。
- 安全 (Security)：用于标记数据包的安全级别，适用于军事或其他高安全要求的环境，但在实际网络中应用较少。
2. TCP 头部选项字段
TCP 头部选项字段主要用于优化传输性能，通常 TCP 头部选项的最大长度是 40 字节。以下是常见的 TCP 选项：
- 最大段大小 (Maximum Segment Size, MSS)：由客户端和服务器在建立连接时交换，表示每个 TCP 段的最大数据负载大小，常用于避免 IP 分片。
- 窗口缩放 (Window Scale)：允许 TCP 窗口大小扩大，以支持更大的窗口，优化高带宽、高延迟的网络传输。
- 选择性确认 (Selective Acknowledgment, SACK)：允许接收方确认非连续接收到的数据段，优化丢包恢复，减少重传的数据量。
- 时间戳 (Timestamp)：用于 RTT（Round Trip Time）计算，帮助更精准地管理数据传输时间，并有助于防止旧数据包重传引起的干扰（防止重播攻击）。
- NOP（No Operation）：填充选项，不执行操作，通常用于对齐字段，确保其他选项按 4 字节对齐。
- 快速打开 (TCP Fast Open, TFO)：通过保存加密的 Cookie 进行快速的 TCP 连接重用，减少三次握手延迟，提升传输效率。
总结
- IP 头选项字段：主要用于网络路径跟踪、路由控制和安全标记，虽然具备强大功能，但实际应用较少。
- TCP 头选项字段：广泛用于优化传输，特别是在现代网络中，MSS、窗口缩放和 SACK 是最常见的选项。
MTU的值在哪修改
在操作系统中，可以通过命令来修改网络接口的 MTU 值。不同系统的修改方式略有差异，以下是常见方法：
### 1. **Linux**
在 Linux 上，可以使用 `ip` 或 `ifconfig` 命令来修改 MTU 值。
- 使用 `ip` 命令：
```bash
sudo ip link set dev <interface> mtu <value>
例如，设置 `eth0` 接口的 MTU 为 1400 字节：
```bash
sudo ip link set dev eth0 mtu 1400
- 使用 `ifconfig` 命令：
```bash
sudo ifconfig <interface> mtu <value> up
```
例如：
```bash
sudo ifconfig eth0 mtu 1400 up
```
### 2. **Windows**
在 Windows 上，可以通过 `netsh` 命令修改 MTU 值：
- 打开命令提示符或 PowerShell（以管理员身份运行），然后输入以下命令：
```powershell
netsh interface ipv4 set subinterface "<interface_name>" mtu=<value> store=persistent
```
例如，将接口名为 `Ethernet` 的 MTU 设置为 1400：
```powershell
netsh interface ipv4 set subinterface "Ethernet" mtu=1400 store=persistent
```
### 3. **macOS**
在 macOS 上，可以使用 `ifconfig` 命令：
```bash
sudo ifconfig <interface> mtu <value>
```
例如，设置 `en0` 接口的 MTU 为 1400：
```bash
sudo ifconfig en0 mtu 1400
```
### 4. **路由器**
在路由器上，MTU 设置通常在 **管理界面**的网络接口或 WAN 设置中。不同的路由器管理界面略有不同，通常在**高级设置**或**网络设置**中找到 MTU 配置选项。
### 注意事项
- 修改 MTU 值可能会影响网络性能，应根据具体网络环境和需求进行调整。
- 调整 MTU 值后，通常无需重启网络接口，但某些网络配置可能需要重启。
MSS、窗口缩放和 SACK 这几个功能的具体讲解
1. MSS（Maximum Segment Size，最大段大小）
MSS 是 TCP 连接在三次握手过程中由客户端和服务器协商决定的一个参数，它定义了每个 TCP 数据段中用户数据部分（不含 TCP/IP 头部）的最大大小。
- 工作原理：
- MSS 的值是基于 MTU（最大传输单元）计算得出，通常为 MTU - IP头长度 - TCP头长度。在以太网上，典型 MTU 是 1500 字节，去掉 IP（20 字节）和 TCP 头部（20 字节）后，MSS 通常是 1460 字节。
- 通过协商 MSS 值，发送方和接收方知道每个数据段最大可以发送多少字节的有效数据，避免了过大的数据段导致 IP 分片，提高了传输效率。
- 优点：
- 避免了 IP 分片：确保数据段大小不超过路径上的 MTU。
- 提高传输效率：减少分片的可能性，降低重传的开销。
2. 窗口缩放（Window Scale）
TCP 的窗口缩放是一个选项，用于支持更大的 TCP 窗口大小。它解决了默认 TCP 窗口大小的限制，允许在高带宽、长延迟（高 BDP）网络中更高效地传输数据。
- 背景：
- TCP 的窗口大小字段默认只能容纳 16 位数值，最大窗口大小为 65535 字节（64 KB）。
- 在高带宽、长延迟的网络中（如卫星网络或光纤链路），64 KB 的窗口不足以发挥带宽优势。
- 工作原理：
- 窗口缩放选项在三次握手期间协商，它是一个 8 位值，表示对窗口大小进行的左移位数，最大值为 14。
- 通过窗口缩放，可以将窗口大小扩大到 65535 * 2^14 = 1 GB，以支持大带宽延迟积 (BDP) 网络。
- 优点：
- 允许更大的窗口大小，提高了数据流传输的效率。
- 有助于在高带宽、高延迟的网络中充分利用链路。
3. SACK（Selective Acknowledgment，选择性确认）
SACK 是一种数据丢失恢复机制，允许接收方只确认丢失的特定数据段，而非重新传输已成功接收的所有数据段。TCP 默认的确认机制是累计确认（Cumulative Acknowledgment），只能确认所有连续收到的数据。这种方式在数据丢包时会导致大量数据重传，而 SACK 则可以减少这种冗余。
- 工作原理：
- SACK 在 TCP 头中增加一个选项字段，接收方可以通过该选项告诉发送方哪些数据段已成功接收，哪些数据段丢失。
- 当发送方收到 SACK 信息后，只重传丢失的数据段，避免重传已成功接收的数据。
- 优点：
- 减少重传数据量，降低网络负担，尤其在高丢包环境中更为有效。
- 提高了网络传输的效率和可靠性，加快了丢包恢复速度。
总结
- MSS：限制每个 TCP 数据段的最大数据大小，避免 IP 分片。
- 窗口缩放：允许更大窗口大小，以支持高带宽、高延迟网络，充分利用网络资源。
- SACK：提供精确的丢包信息，减少不必要的重传，提高丢包恢复效率。
这些选项广泛应用于现代 TCP 连接中，尤其在高带宽和高延迟的网络环境中，有效提升了网络的整体传输性能。
窗口缩放的选项段是否会被攻击，假如被人设置为3，则会反复重传？
窗口缩放选项确实存在被攻击的可能性，称为 窗口缩放攻击。在这种攻击中，恶意方可以在 TCP 连接建立过程中篡改或伪造窗口缩放因子，将其设置为较小的值，比如 1 或 3。这样会导致 TCP 发送方的窗口大小严重受限，传输效率大幅降低，甚至可能导致大量的 重传 或 带宽浪费。
窗口缩放攻击的具体原理
窗口缩放因子是在 TCP 三次握手期间协商的，因此恶意方可以在这一过程中进行中间人攻击（MITM），将窗口缩放因子修改为非常小的值。这样会导致以下问题：
- 窗口大小受限：TCP 窗口大小由 窗口大小 = 初始窗口大小 × 2^缩放因子 计算得到。若缩放因子被恶意设置为 1 或 3，那么窗口大小可能会被限制在很小的范围（例如几 KB），导致数据传输受到严重限制。
- 频繁等待和超时：由于窗口大小限制，发送方每次只能发送少量数据，并在接收方确认后才能继续发送。这会导致频繁等待，降低吞吐量，增加 RTT。
- 频繁重传：在窗口缩放因子非常小时，发送方在高延迟网络环境中可能会频繁触发超时重传，进一步加剧网络拥塞，影响传输稳定性。
如何防范窗口缩放攻击
- 验证三次握手数据：在 TCP 连接建立时，可以通过防火墙或安全网关对三次握手包进行完整性检查，确保窗口缩放因子未被篡改。
- 限制最小窗口缩放因子：可以通过网络配置或安全策略，设置一个合理的窗口缩放因子的最小值。例如，设定最小值为 6（窗口扩大到至少 64 KB），避免过小的因子影响性能。
- 使用加密协议：通过加密手段（如 TLS）建立安全通道，确保 TCP 三次握手过程中交换的选项字段不易被篡改。
- 监测网络性能异常：网络设备可以设置监控和告警机制，当发现窗口大小异常小或出现频繁超时重传时，自动触发告警并进一步检查原因。
总结
窗口缩放确实可能被恶意攻击者利用来影响连接性能，但通过加密、网络监控和合理配置，可以有效降低此类攻击的风险。
如何在用户层获取 MSS
对于TCP而言 协议中没有MTU的值的确认，MSS其实就是MTU算出的一个值，一般由内核自己管理。
通过 getsockopt 函数，可以在用户层获得当前 TCP 连接的 MSS 值。这是通过查询套接字的 TCP_MAXSEG 选项来实现的，例如：
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/tcp.h> // TCP_MAXSEG
#include <arpa/inet.h>
int main() {
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock < 0) {
perror("Socket creation failed");
return -1;
}
// 设置服务器地址
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(80); // 使用 HTTP 端口
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &server_addr.sin_addr); // 目标IP
// 连接服务器
if (connect(sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("Connect failed");
return -1;
}
// 获取 MSS 值
int mss;
socklen_t len = sizeof(mss);
if (getsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_MAXSEG, &mss, &len) == 0) {
printf("MSS value: %d\n", mss);
} else {
perror("Failed to get MSS");
}
close(sock);
return 0;
}
为什么 MSS 设置由系统控制
- MSS 受路径 MTU 决定：MSS 通常是通过路径上的 MTU 减去 IP 和 TCP 头部长度来自动确定的，防止了路径上数据包被分片，确保传输效率。
- 自动调整传输大小：操作系统内核会依据 MSS 值调整 TCP 发送缓冲区的分片大小，确保不会发送超过 MSS 的数据包，从而避免 IP 层的分片处理，提升网络性能。
- 用户层应用程序不必担心分片：通过 send 或 write 的数据长度可以任意，但 TCP 会在内核中自动分段，因此用户层应用程序无需直接控制分片过程。
因此，通过 getsockopt 获取 MSS 后，用户层应用程序可以大致控制发送数据的长度，防止接近或超过 MSS，以最大化数据传输效率。
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