网络基础-----C语言经典题目（12）

一、OSI模型是什么？有哪几层？

        中文名称为开放系统互连参考模型，是计算机网络领域的基础理论模型。它将网络通信复杂过程划分为 7 个层次，每层负责特定功能。

OSI 模型的七层结构（从下到上）

   1.物理层

        功能：处理原始比特流（0/1信号）的传输，定义硬件接口（电缆、网卡、光纤等）、信号格式、传输速率等物理特性。

        示例：RJ45 接口、WiFi 信号。

   2.数据链路层

        功能：在相邻节点间传输数据帧，负责错误检测（CRC 校验）、流量控制和链路管理。

        子层：媒体访问控制（MAC层 ）、逻辑链路控制（LLC 层）。

        示例：以太网协议、PPP 协议。

   3.网络层

        功能：通过 IP 地址实现跨网络的数据包路由和寻址，选择最佳路径传输数据。

        核心协议：IP（网络协议）、ICMP（错误报告）、ARP（MAC 地址解析）。

        示例：路由器工作在这一层。

   4.传输层

        功能：为端到端（进程间）通信提供可靠或不可靠的数据传输，确保数据完整。

        核心协议：

                1.TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（HTTP、FTP）。

                2.UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠传输（DNS、视频流）。

        标识：通过端口号（port）区分不同应用进程（如 80 端口对应 HTTP）。

   5.会话层

        功能：建立、管理和终止应用程序间的会话连接，支持会话同步和恢复。

        示例：远程登录的会话管理、断点续传。

   6.表示层

        功能：处理数据格式转换（加密、压缩、编码），确保不同系统间的数据兼容。

        示例：JPEG 图像编码。

   7.应用层

        功能：直接为用户应用程序提供服务（文件传输、网页浏览），定义应用协议和规则和接口。

        核心协议：HTTP、FTP等。

        示例：浏览器访问网页（HTTP）、邮件客户端发送邮件（SMTP）。

二、简述 TCP / IP 网络模型（TCP / IP 协议栈）

        TCP / IP 网络模型（协议栈）是实现网络通信的核心架构，核心思想是分层设计，各层通过协议规范交互。

TCP / IP 协议栈四层模型

   1.应用层

        功能：为用户提供直接服务（数据交换、文件传输等），定义应用程序间通信的协议规则。

        常见协议：HTTP（超文本传输协议，Web 服务）、FTP（文件传输协议，文件上传 / 下载）

        C语言实现：通过调用传输层接口（Socket）实现，数据以“消息”形式传递（HTTP请求、相应报文）。

   2.传输层

        功能：负责端到端的通信，确保数据可靠传输或高效传输，为应用层提供抽象的“端口”地址。

        核心协议：

                TCP（传输控制协议）：

                        面向连接（三次握手建立连接，四次挥手断开），可靠传输。

                        数据单位：段。

                UDP（用户数据报协议）：

                        无连接，不可靠传输（无重传，低延迟）。

                        数据单位：数据报。

        端口号：16 位整数（0 - 65535），标识应用进程（80端口对应 HTTP 服务）。

   3.网络层

        功能：实现主机间的逻辑寻址（IP 地址），负责数据包的路由和转发（跨网络传输）。

        核心协议：IP（网络协议），定义 32 位 IPv4 地址，数据单位：分组（Packet）。   

                          无连接、不可靠，仅负责“尽力而为”传输。

        C语言交互：通过 Socket 选项可操作 IP 头部。

   4.网络接口层（含数据链路层 + 物理层）

        功能：处理物理硬件相关的传输，实现相邻节点间的数据传输。

        数据链路层：定义物理地址（MAC 地址），数据单位：帧。

                              协议：以太网、PPP （点对点协议）等。

        物理层：定义物理介质（网线、无线信号等）的电气 / 机械特性。

各层数据封装与交互

   数据发送：应用层数据----》传输层加 TCP / UDP 头部---》网络层加 IP 头部---》数据链路层加 MAC 头部和尾部---》物理层转化为比特流。             

三、常用的 TCP / IP 协议族中的网络协议是哪些？应用场合呢？

1.传输层协议

    TCP

        特点：面向连接、可靠、基于字节流，能保证数据无差错、不丢失且按序到达。

        应用场合：对数据准确性要求高，但对传输速度要求不高的场景。比如 HTTP、HTTPS、。

        C语言中：通过 Socket（）、connect（）、bind（）、listen（）、accept（）等函数来实现基于 TCP 的网络编程。

    UDP

        特点：无连接、不可靠、面向数据报，不保证数据一定到达，也不保证数据按序到达，但传输速度快。

        应用场合：对实时性要求高，但对数据准确性要求相对较低的场景。如视频直播、语音通话、实时游戏、DNS 等。

        C语言中：使用sendto（）、recvfrom（）函数可以实现基于 UDP 的网络通信。

2.网络层协议

    IP

        功能：负责将数据包从源主机传输到目标主机，为数据包提供路由和寻址。

        版本：广泛使用的是 IPv4，IPv6在普及。

   ICMP

        功能：用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息，比如错误报告、网络状况查询等。

        应用：ping 命令和 traceroute 命令就是基于 ICMP 协议实现的。

3.应用层协议

   HTTP / HTTPS

        应用：网页浏览、API 调用等场景。HTTPS 是在 HTTP 的基础上加入了 SSL / TLS 加密。

   SMTP / POP3 / IMAP

        应用：电子邮件发送和接收。

四、交换机和路由器工作在 TCP/IP 模型中的哪一层，它们的主要工作区别是什么？

1.交换机：

        工作在 TCP / IP 模型的数据链路层（第二层）。基于 MAC 地址转发数据帧，通过维护 MAC 地址表实现端口到 MAC 地址的映射。

2.路由器：

        工作在 TCP / IP 模型的网络层（第三层）。基于 IP 地址转发数据包，通过路由表选择最佳路径，并处理跨网段通信。

特性	交换机	路由器
工作层级	数据链路层（第二层）	网络层（第三层）
寻址方式	基于 MAC 地址转发数据帧	基于 IP 地址转发数据包
转发决策	根据 MAC 地址表转发	根据路由表选择最佳路径
广播域	所有端口属于同一个广播域	每个接口属于独立的广播域
跨网段通信	仅支持同一网段内通信	支持不同网段间的通信
主要功能	连接局域网设备，提高网络带宽利用率	连接不同网络，实现广域网通信
协议处理	不关心上层协议（IP、TCP）	处理 IP、路由协议

五、ip 地址的表现形式以及组成是什么？

        以 IPv4 为例，表现形式和组成情况如下：

1.点分十进制表示法（字符串形式）

        这是常用的一种 IP 地址表示方式，例如 192.168.1.1 。

char ip_str[] = "192.168.1.1";

2. 32 位无符号整数（网络字节序）

        在计算机内部和网络传输时，IP 地址会被表示成 32 位无符号整数，采用大端字节序。

        数据类型：in_addr_t

        存储结构：sockaddr_in 结构体。

#include <netinet/in.h>struct sockaddr_in addr;
addr.sin_addr.s_addr = 0xC0A80101;  // 对应192.168.1.1的十六进制表示

3.转换函数

        1.字符串转整数（inet_aton）

#include <arpa/inet.h>// 方法一：inet_aton（适用于IPv4）
char* ip_str = "192.168.1.1";
struct in_addr addr;
inet_aton(ip_str, &addr);  // 转换结果存储在addr中

        2.整数转字符串（inet_ntoa）

// 方法一：inet_ntoa（适用于IPv4，返回静态字符串）
char* result = inet_ntoa(addr.sin_addr);

4.存储结构

struct in_addr {in_addr_t s_addr;  // 32位IPv4地址（网络字节序）
};struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family;  // 地址族，AF_INETin_port_t      sin_port;    // 端口号（网络字节序）struct in_addr sin_addr;    // IPv4地址char           sin_zero[8]; // 为了保持与sockaddr结构长度一致
};

六、Ubnutu 中，配置静态 ip 地址的配置文件是哪个？

        对于 Ubnutu 18.04 及后续版本，网络配置采用 Netplan 管理，配置文件存放在 /etc/netplan/ 目录下，文件名一般是 interfaces 。

七、查看本机有哪些网络链接的命令是什么？

        netstat-anp

八、网络设备字节序和主机字节序是什么？

网络设备字节序

        也称网络字节序，采用大端字节序。

主机字节序

        指计算机在存储多字节数据时采用的字节顺序，由 CPU 架构决定。

        大端字节序：数据的高位字节存于低地址，低位字节存于高地址。例如：

数值 0x12345678 在内存中的存储顺序是0x12、0x34、0x56、0x78。

        小端字节序：与大端相反，低位字节存于低地址，高位字节存于高地址。例如：

数值 0x12345678 在内存中的存储顺序为0x78、0x56、0x34、0x12。

九、端口号的作用以及端口号的长度是什么？常用网络协议端口号有哪些？

端口号的作用

        在同一台主机上对不同的网络应用程序进行区分。当操作系统接收到网络数据包后，会依据端口号将数据准确地转发给对应的应用程序。

端口号的长度

        是一个 16 位无符号整数，取值范围是 0 到 65535。通常使用 in_port_t 类型来表示端口号。

常用网络协议端口号

        HTTP：80

        HTTPS：443

        FTP：20（用于数据传输）、21（用于控制连接）

        SMTP：25

        DHCP：67（服务器端）、68（客户端）

十、TCP 和 UDP 的区别？

连接性

        TCP：面向连接，数据传输前，要通过“三次握手”建立连接，数据传输结束后，要“四次挥手”断开连接。

        UDP：无连接，发送数据前无需建立连接，直接把数据报发送出去就行。

可靠性

        TCP：可靠，会通过序列号、确认应答、重传机制来保证数据能准确无误地到达接收方。

        UDP：不可靠，不保证数据一定能到达接收方，也不处理数据的丢失。

有序性

        TCP：有序。

        UDP：可能无序。

传输效率

        TCP：相对较低。

        UDP：效率高、延迟低。

传输形式：

        TCP：面向字节流，数据以连续的字节流形式传输，没有明显的边界。

        UDP：面向数据报，有明确的边界。

应用场景

        TCP：文件传输、网页浏览、电子邮件。

        UDP：音视频播放、实时游戏、DNS查询。

TCP 编程基本流程

   1.服务器端：创建套接字（socket）---》绑定地址（bind）---》监听连接（listen）---》接受连接（accept）---》收发数据（send / recv）---》关闭连接（close）

   2.客户端：创建套接字（socket）---》连接服务器（connect）---》收发数据（send/recv）---》关闭连接（close）

UDP 编程基本流程

   1.服务器端：创建套接字（socket）---》绑定地址（bind）---》收发数据（recvfrom/sendto）---》关闭套接字（close）

   2.客户端：创建套接字（socket）---》收发数据（sendto/recvfrom）---》关闭套接字（close）

示例：

// TCP服务器示例
int main() 
{// 创建套接字int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 绑定地址struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(8080);bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// 监听连接listen(server_fd, 5);// 接受连接struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_size = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_size);// 收发数据char buffer[1024];read(client_fd, buffer, sizeof(buffer)-1);printf("收到消息: %s\n", buffer);write(client_fd, "Hello, client!", strlen("Hello, client!"));// 关闭连接close(client_fd);close(server_fd);return 0;
}// UDP服务器示例
int main() 
{// 创建套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);// 绑定地址struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(8080);bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// 收发数据char buffer[1024];struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_size = sizeof(client_addr);recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_size);printf("收到消息: %s\n", buffer);sendto(sockfd, "Hello, client!", strlen("Hello, client!"), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, client_addr_size);// 关闭套接字close(sockfd);return 0;
}

十一、三次握手和四次挥手的过程是什么？为什么是四次挥手？

1.三次握手（建立 TCP 连接）

   1.客户端发起连接：客户端向服务器发送一个带有 SYN 标志位的数据包，请求建立连接。

   2.服务器确认并响应：服务器收到请求后，发送 SYN + ACK 包。

   3.客户端最终确认：客户端收到服务器的 SYN + ACK 后，发送 ACK 包确认。

2.四次挥手（端口 TCP 连接）

   1.客户端请求关闭：客户端数据发生完毕后，发送 FIN 包请求关闭连接。

   2.服务器确认关闭：服务器收到 FIN 后，立即发送 ACK 包确认客户端的关闭请求。

   3.服务器请求关闭：等到服务器数据发送完毕后，发送 FIN + ACK 包请求关闭服务器到客户端的连接。

   4.客户端最终确认：客户端收到服务器的 FIN 后，发送 ACK 包确认。

四次挥手的原因：

1.三次握手中，合并 SYN + ACK的原因：服务器收到客户端的 SYN 包后，可以立即在一个数据包中同时发生 SYN（请求建立连接）和 ACK（确认客户端的 SYN），因为此时服务器尚未开始发送数据，无需等待其他操作。

2.四次挥手必须分开 ACK 和 FIN 的原因：当服务器收到客户端的 FIN 后，仅表示客户端不再发送数据，但服务器可能仍有未发送完的数据。因此，服务器需先发送 ACK 确认客户端的关闭请求（避免客户端超时重传 FIN），然后等到自身数据发生完毕后，再单独发送 FIN 包请求关闭服务器到客户端的连接。这两个操作（ACK 和 FIN）无法合并，所以需要四次挥手。

总结：

        三次握手建立连接时，合并SYN + ACK ，减少一次交互，可以提高效率。

        四次挥手断开连接时，因全双工特性和数据完整性要求，ACK 和 FIN 需分开发送。确保双向连接独立关闭。

十二、TCP 协议中还有哪些机制保障可靠运输？

1.序列号与确认应答机制

        TCP 会为每个传输的字节都分配一个序列号，接收方收到数据后，会回传带有确认号（ACK）的应答，以此告知发送方哪些数据已成功接收。

2.超时重传机制

        要是发送发在一段时间内没有收到某个数据包的确认应答，就会重新发送该数据包，这个等待时间被称为超时重传时间。

3.数据校验机制

        TCP 会对每个数据包进行校验和计算，接收方在收到数据包后会重新计算校验和，以此来判断数据在传输过程中是否发送损坏。

十三、Wireshark 的作用是什么？如何使用？如何排查网络问题？

 作用

        数据包捕获与分析、协议分析、性能分析、故障排查。

使用方法

        1.从 Wireshark 官网下载合适的版本。

        2.启动与接口选择：启动 Wireshark 后，会显示可用的网络接口列表，选择要监控的网络接口（以太网、WiFi等），然后点击“Start”按钮开始捕获数据包。

        3.过滤数据包：用过滤表达式，如

                ip.src  ==  192.168.1.100：只显示源 IP 地址为 192.168.1.100 的数据包。

                tcp.port  ==  80：只显示 TCP 端口号为 80 的数据包。

        4.分析数据包：捕获到数据包后，Wireshark 会以树形结构显示每个数据包的详细信息。

排查网络问题：

        确认通信是否建立：检查是否有 SYN、SYN-ACK、ACK 包来确认 TCP 连接是否成功建立。

        检查数据包内容：查看数据包的负载数据，确认 C 程序发送和接收的数据是否正确。

        检查丢包情况、分析网络延迟。