C++面试：TCP和UDP的基本原理&http协议基础与应用&http协议相关知识

目录

TCP和UDP的基本原理

TCP (传输控制协议)

UDP (用户数据报协议)

应用场景

TCP可靠传输机制

TCP协议的流量控制和拥塞控制

TCP流量控制

TCP拥塞控制

区别

Session、Cookie 与 Application 

1. Cookie

2. Session

3. Application

比较

http1.0、http2.0、http3.0特性

HTTP 1.0 特性

HTTP 1.0 的局限性

HTTP 2.0 特性

HTTP 3.0 特性

HTTP 1.0、HTTP 2.0 和 HTTP 3.0 的对比

HTTP协议基础与应用

基本工作原理

特点

HTTP方法

HTTP状态码

应用

C++示例

使用libcurl发送HTTP GET请求

注意事项

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TCP和UDP的基本原理

TCP (传输控制协议)

        TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在TCP/IP协议族中，TCP负责在两个应用程序之间建立一个可靠的通信连接。

工作原理:

• 三次握手建立连接:

  1. 客户端发送SYN包到服务器，并进入SYN_SEND状态。
  2. 服务器收到SYN包，回复一个SYN+ACK包，进入SYN_RECV状态。
  3. 客户端收到服务器的SYN+ACK包，发送一个ACK包给服务器，完成连接建立。

• 数据传输: 数据以字节流的形式发送，TCP负责将数据正确且完整地传送到接收方。

• 四次挥手释放连接:

  1. 当通信结束后，客户端发送一个FIN包来终止连接。
  2. 服务器收到这个FIN包，发送一个ACK包确认。
  3. 服务器发送一个FIN包给客户端来关闭服务器到客户端的数据传送。
  4. 客户端发送ACK包响应，然后连接关闭。

• 特点: 可靠传输（通过序列号、确认应答、超时重传等机制），流量控制（通过滑动窗口实现），拥塞控制（通过慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复算法实现）。

UDP (用户数据报协议)

        UDP是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

工作原理:

• 无连接: UDP在传送数据之前不需要建立连接，每次传送的数据都是独立的。

• 数据报文: 数据被封装成数据报文发送，每个数据报文都包括完整的目的地址信息。

• 不可靠传输: UDP不保证数据包的顺序、完整性或数据包之间的关联性。如果需要这些特性，必须由应用层来实现。

• 特点: 高效（没有建立连接的开销，适用于实时应用），不保证可靠交付，支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

应用场景

• TCP应用场景: 需要可靠传输的应用，如网页浏览(HTTP)，文件传输(FTP)，邮件传输(SMTP, POP3)等。
• UDP应用场景: 对实时性要求高，允许丢包的应用，如在线视频会议，VoIP，实时游戏等。

        TCP和UDP各有优缺点，适用于不同的网络应用场景。在选择使用TCP还是UDP时，需要根据应用的具体需求和网络环境来决定。

TCP可靠传输机制

        TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它为应用层提供可靠的数据传输服务。TCP的可靠性通过以下几个关键机制来实现：

1. 三次握手建立连接：在传输数据之前，TCP客户端和服务器之间会进行三次握手来建立连接。这个过程确保双方都准备好进行数据传输。

2. 数据包排序：TCP为每个数据包分配一个序列号。接收方根据这些序列号将收到的数据包重新排序，确保数据完整性。

3. 数据确认和超时重传：发送方在发送数据后，会等待接收方的确认应答（ACK）。如果在指定时间内未收到ACK，发送方会重传数据。这个机制确保了数据的可靠传达。

4. 流量控制：TCP使用窗口大小（Window Size）来控制发送方的发送速率，防止接收方的缓冲区溢出。窗口大小可以动态调整，以适应网络条件。

5. 拥塞控制：TCP还实现了拥塞控制机制，如慢启动（Slow Start）、拥塞避免（Congestion Avoidance）、快速重传（Fast Retransmit）和快速恢复（Fast Recovery）。这些机制可以根据网络的拥塞程度动态调整数据的传输速率，以避免网络拥塞。

6. 四次挥手释放连接：当数据传输完成后，TCP连接的释放需要四次挥手。这个过程确保了双方都已经完成数据的发送和接收。

TCP协议的流量控制和拥塞控制

TCP流量控制

流量控制是一种确保发送方不会淹没接收方，发送的数据超过接收方处理能力的机制。TCP使用滑动窗口机制实现流量控制。

• 滑动窗口：接收方在确认报文中告诉发送方其可用的缓冲区大小（接收窗口）。这个大小会随着接收方的处理能力和接收缓冲区的空闲空间变化而动态调整。

• 接收窗口：发送方根据接收方的窗口大小来调整自己的发送速率，确保不会发送超过接收方处理能力的数据。

TCP拥塞控制

拥塞控制是防止过多的数据注入到网络中，这样可以避免网络中的路由器或链路过载。TCP使用一系列算法来实现拥塞控制，包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。

• 慢启动（Slow Start）：连接开始时，增加拥塞窗口的速率非常快（指数增长），以快速找到网络的承载能力。当拥塞窗口大小达到一个阈值（ssthresh）时，转换到拥塞避免算法。

• 拥塞避免（Congestion Avoidance）：在此阶段，拥塞窗口的增长速率减慢（线性增长），以避免网络拥塞。

• 快速重传（Fast Retransmit）：当发送方收到三个重复的ACK时，立即重传未被确认的数据包，而不是等待重传计时器到期。

• 快速恢复（Fast Recovery）：在快速重传后，将拥塞窗口设置为ssthresh加上3个MSS的大小，并执行拥塞避免算法，直到遗失的数据包被确认。

区别

• 流量控制是确保通信双方能匹配对方的处理速率，防止接收方被发送方淹没。
• 拥塞控制则是防止过多的数据注入到网络中，避免网络拥塞导致的数据包丢失和延迟。

Session、Cookie 与 Application 

        在Web开发中，理解Session、Cookie以及Application的概念和使用方式是非常重要的。这些技术主要用于维护客户端和服务器之间的状态、数据共享和用户身份验证。下面是对这三个概念的详细介绍：

1. Cookie

• 定义：Cookie是服务器发送到用户浏览器并保存在本地的一小块数据，它会在浏览器下一次向同一服务器再发起请求时被携带并发送到服务器上。通常用于识别用户。
• 用途：主要用于会话状态的管理（如用户登录状态）、个性化设置（如用户自定义设置）、浏览器行为跟踪（如跟踪分析用户行为）。
• 特点：
  • 存储在客户端。
  • 大小限制：每个Cookie限制为4KB。
  • 安全性：非常容易被篡改和窃取，因此敏感信息通常不存储在Cookie中。
  • 生命周期：可以设置过期时间；如果不设置，生命周期为浏览器会话期间。

2. Session

• 定义：Session是另一种记录服务器和客户端会话状态的机制。不同于Cookie存储在客户端，Session数据存储在服务器端。
• 用途：主要用于存储用户会话信息，如用户登录后的用户ID、购物车信息等。
• 特点：
  • 存储在服务器端，更安全。
  • 通过一个Session ID来区分不同的用户，Session ID通常存储在Cookie中，也可以通过URL重写来传递。
  • 生命周期：通常由服务器设置Session的超时时间。

3. Application

• 定义：在Web应用中，Application对象是一个全局对象，用于存储全局的信息，如全站的配置信息或所有用户共享的数据。
• 用途：用于在整个应用范围内共享数据。
• 特点：
  • 生命周期通常等同于应用程序的生命周期。
  • 存储在服务器端，对所有用户和会话可见。
  • 适合存储少量的、不经常变化的数据，因为数据量大或频繁变化会影响性能。

比较

• 存储位置：Cookie存储在客户端；Session存储在服务器端；Application也存储在服务器端。
• 安全性：Cookie较不安全；Session和Application较安全。
• 作用范围：Cookie和Session主要用于单个用户的数据存储；Application用于全局数据存储。
• 生命周期：Cookie可以手动设置过期时间；Session有超时机制；Application在应用程序运行期间一直存在。

        理解这些基本概念对于开发安全和高效的Web应用非常重要。在面试中，能够清楚地解释这些概念及其用途和区别，将有助于展示你对Web开发的深入理解。

http1.0、http2.0、http3.0特性

        HTTP (Hypertext Transfer Protocol) 是互联网上应用最为广泛的协议之一，用于传输超文本数据。随着技术的发展，HTTP经历了多个版本的更新，每个新版本都旨在提高性能、安全性和用户体验。以下是HTTP 1.0、HTTP 2.0和HTTP 3.0的特性详细介绍及它们之间的对比。

HTTP 1.0 特性

• 无状态: HTTP 1.0是无状态的协议，它不会保存之前的请求记录，每次请求都是独立的。
• 无连接: 默认情况下，HTTP 1.0每完成一次请求-响应周期，就会关闭TCP连接。这意味着每个请求都需要建立新的连接，增加了延迟。
• 简单请求模型: 支持GET、POST和HEAD方法，用于请求页面、提交表单内容等基本功能。

HTTP 1.0 的局限性

• 连接频繁开销: 每次请求都需要新的TCP连接，造成资源浪费和延迟。
• 无法复用连接: 不能有效利用TCP连接，影响页面加载速度。

HTTP 2.0 特性

• 二进制分帧: HTTP 2.0引入了二进制分帧层，将所有传输的信息分割为更小的消息和帧，并对它们进行二进制编码处理。这种方式使得HTTP 2.0的性能更高，更健壮。
• 多路复用: 允许同时通过单一的HTTP/2连接发送多重请求-响应消息，减少了延迟，提高了页面加载速度。
• 头部压缩: HTTP/2使用HPACK压缩格式压缩头部，减少了传输数据的大小。
• 服务器推送: 服务器可以对一个客户端请求发送多个响应。服务器可以在客户端需要之前，就提前发送资源。

HTTP 3.0 特性

• 基于QUIC协议: HTTP 3.0基于新的传输层协议QUIC，它使用UDP进行通信，解决了TCP建立连接的延迟，提高了传输速度。
• 减少连接建立时间: QUIC减少了握手次数，即使是之前未连接的通信也能更快建立连接。
• 改进的拥塞控制: QUIC包含更先进的拥塞控制机制，以优化网络条件下的传输性能。
• 更好的多路复用支持: 由于QUIC独立处理每个流，因此流的阻塞不会影响到其他流。

HTTP 1.0、HTTP 2.0 和 HTTP 3.0 的对比

• 性能: HTTP 2.0通过二进制分帧、多路复用和头部压缩大幅提高性能，相比之下HTTP 1.0性能较低。HTTP 3.0进一步通过使用QUIC协议，减少延迟，提高了性能。
• 连接复用: HTTP 2.0和HTTP 3.0都支持连接复用，这使得它们在加载资源时更为高效。HTTP 1.0则每次请求都需要建立新的连接。
• 安全性: HTTP 2.0和HTTP 3.0都倾向于使用HTTPS，提高了安全性。HTTP 1.0对安全性的支持较弱。
• 延迟: HTTP 3.0通过QUIC减少了握手延迟，相比HTTP 2.0和HTTP 1.0有显著改进。
• 兼容性和普及度: HTTP 1.0由于历史悠久，兼容性最好。HTTP 2.0已被广泛采用。HTTP 3.0作为最新标准，正在逐步推广中，但兼容性和支持度正在增加。

        每一代HTTP协议都旨在解决前一代的限制，提供更快、更安全、更高效的网络通信。HTTP 3.0的引入，特别是基于QUIC的特性，预示着未来网络通信的一个重大改进。

HTTP协议基础与应用

        HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。它基于客户端/服务器（C/S）模式工作，是一个无状态的请求/响应协议。HTTP协议通常运行在TCP协议之上，标准端口是80。

基本工作原理

• 无状态协议：HTTP协议是无状态协议，不会保存之前的交互状态，每次交互都是独立的。为了解决这个问题，引入了Cookie技术。
• 客户端请求：用户通过浏览器发送一个HTTP请求到服务器的请求消息包括：请求方法（如GET、POST）、目标URL、协议版本、请求头（包含一些客户端信息）和请求体。
• 服务器响应：服务器接到请求后，会返回一个响应消息，响应包括：协议的版本、一个成功或错误的代码（如200 OK、404 Not Found）、响应头（包含服务器信息）和响应体（请求的资源）。

特点

• 简单快速：客户向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径。
• 灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
• 无连接：限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。有助于节省传输时间。
• 无状态：HTTP协议是无状态协议，服务器不知道客户端是什么状态。

HTTP方法

• GET：请求指定的页面信息，并返回实体主体。
• POST：向指定资源提交数据进行处理请求（如提交表单或上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改。
• HEAD：类似于GET方法，但没有响应体，用于获取报头。
• PUT：从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容。
• DELETE：请求服务器删除指定的页面。
• OPTIONS：允许客户端查看服务器的性能。

HTTP状态码

• 1xx：信息，请求已被接受，继续处理。
• 2xx：成功，操作被成功接收并处理。
• 3xx：重定向，需要进一步的操作以完成请求。
• 4xx：客户端错误，请求包含语法错误或无法完成请求。
• 5xx：服务器错误，服务器在处理请求的过程中发生了错误。

应用

• Web页面访问：浏览器通过HTTP协议获取网页资源。
• API调用：现代Web服务（如RESTful API）使用HTTP协议进行通信。
• 数据传输：利用HTTP协议的表单提交功能上传文件。

        HTTP协议是现代互联网应用不可或缺的一部分，它的简单、灵活、无状态的特性使得它成为Web通信的标准。随着Web技术的发展，HTTP/2和HTTP/3等新版本的HTTP协议逐渐被引入以解决性能问题，提供更高效、安全的网络数据传输。

C++示例

        在C++中发送HTTP请求可以使用多种库，比如libcurl、Boost.Asio或者Poco库。下面是使用libcurl库发送HTTP GET请求的示例代码。libcurl是一个用于客户端URL传输的免费、易用的库，支持多种协议，包括HTTP、HTTPS等。

使用libcurl发送HTTP GET请求

        首先，确保你的系统已经安装了libcurl库。在Ubuntu上，你可以通过运行sudo apt-get install libcurl4-openssl-dev来安装。

#include <iostream>
#include <curl/curl.h>

// 回调函数用于处理返回的数据
size_t callback(void *contents, size_t size, size_t nmemb, std::string *userp) {
    ((std::string*)userp)->append((char*)contents, size * nmemb);
    return size * nmemb;
}

int main() {
    CURL *curl;
    CURLcode res;
    std::string readBuffer;

    curl = curl_easy_init(); // 初始化CURL对象
    if(curl) {
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, "http://example.com"); // 设置目标URL
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, callback); // 设置数据处理的回调函数
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, &readBuffer); // 设置写数据的地址

        // 执行HTTP请求
        res = curl_easy_perform(curl);

        // 检查错误
        if(res != CURLE_OK)
            std::cerr << "curl_easy_perform() failed: " << curl_easy_strerror(res) << std::endl;
        else
            std::cout << readBuffer << std::endl; // 打印获取的内容

        // 清理
        curl_easy_cleanup(curl);
    }
    return 0;
}

        这段代码首先初始化了一个CURL对象，然后设置了一些选项，如目标URL、数据处理的回调函数以及写数据的地址。之后，它执行了HTTP请求并检查了是否有错误发生。如果没有错误，它会打印出从URL获取的内容。

注意事项

• 确保在项目中链接了libcurl库。如果你使用的是GCC编译器，可以在编译时添加-lcurl选项。
• 你可能需要根据你的实际情况修改URL或其他选项。
• libcurl支持非常多的协议和特性，你可以根据需要设置不同的选项，比如处理重定向、设置超时等。

        这个示例提供了一个基本的框架，你可以在此基础上根据自己的需求进行扩展。