Linux高级--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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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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