TCP/IP c/c++

qq_392807952026-01-17 10:07

一、TCP/IP 基础概念（必问）

这部分是面试的 "打底题"，考察对网络基础的理解，常以问答形式出现：

1. TCP/IP 协议栈分层

TCP/IP 4 层模型 对应 OSI 7 层 核心协议 / 功能
应用层 应用层 + 表示层 + 会话层 HTTP/FTP/Telnet，定义应用交互规则
传输层 传输层 TCP/UDP，端到端数据传输（端口标识）
网络层 网络层 IP/ICMP/ARP，跨网络路由（IP 地址标识）
链路层 数据链路层 + 物理层 以太网 / PPP，局域网内帧传输（MAC 地址）

2. TCP vs UDP 核心区别（高频）

特性 TCP UDP
连接性 面向连接（三次握手） 无连接
可靠性 可靠（确认 / 重传 / 排序） 不可靠（无确认）
传输方式 面向字节流 面向数据报
拥塞 / 流量控制 支持（滑动窗口 / 拥塞控制） 不支持
头部开销 20-60 字节 8 字节
适用场景 文件传输 / HTTP / 邮件 视频 / 语音 / 直播 / 游戏

3. 端口范围

  • 知名端口：0~1023（如 80=HTTP，443=HTTPS，22=SSH）；
  • 注册端口：1024~49151；
  • 动态 / 私有端口：49152~65535（客户端随机使用）。

二、TCP 核心原理（面试重点）

这部分是考察深度的核心，常问 "为什么" 和 "过程"：

1. TCP 三次握手（为什么需要三次？）

过程（服务端先listen）：
  1. 客户端 → 服务端：SYN（同步序列号），客户端进入SYN_SENT状态；
  2. 服务端 → 客户端：SYN+ACK（确认客户端 SYN，同步自己的序列号），服务端进入SYN_RCVD状态；
  3. 客户端 → 服务端：ACK（确认服务端 SYN），双方进入ESTABLISHED状态。
核心问题：为什么不是两次？
  • 两次握手无法确认 "客户端能收到服务端的报文"，可能导致服务端为无效客户端分配资源（半连接队列溢出）；
  • 三次握手能确保双方收发能力都正常，且完成序列号同步。

2. TCP 四次挥手（为什么需要四次？）

过程：
  1. 主动关闭方 → 被动方：FIN（请求关闭），主动方进入FIN_WAIT1；
  2. 被动方 → 主动方：ACK（确认 FIN），被动方进入CLOSE_WAIT，主动方进入FIN_WAIT2；
  3. 被动方 → 主动方：FIN（被动方数据发送完毕，请求关闭），被动方进入LAST_ACK；
  4. 主动方 → 被动方：ACK（确认 FIN），主动方进入TIME_WAIT，被动方收到后进入CLOSED；
  5. 主动方等待2MSL（报文最大生存时间）后进入CLOSED。
核心问题：为什么不是三次？
  • TCP 是全双工通信，关闭时需要分别关闭 "发送" 和 "接收" 通道，被动方收到 FIN 后可能还有数据要发，因此需要先 ACK 确认关闭，等数据发完再发 FIN。

3. TIME_WAIT 状态（高频）

  • 作用：① 确保最后一个 ACK 到达（若被动方没收到 ACK，会重发 FIN）；② 避免旧连接的延迟数据包干扰新连接（2MSL 可让旧数据包失效）。
  • 问题：TIME_WAIT 过多会占用端口，导致新连接无法绑定；
  • 解决 ：设置SO_REUSEADDR选项（允许端口快速重用）。

4. TCP 可靠性机制（核心）

  • 确认应答（ACK）：接收方收到数据后返回确认；
  • 超时重传：发送方超时未收到 ACK 则重传（超时时间动态计算）；
  • 滑动窗口：实现流量控制（接收方通过窗口大小告知发送方可发送的字节数）；
  • 拥塞控制：慢启动→拥塞避免→快重传→快恢复（避免网络拥塞）；
  • 序列号 / 确认号：解决乱序、重复问题；
  • 校验和：检测数据传输中的错误。

三、C/C++ Socket 编程（代码实践必问）

1. 核心流程（服务端 + 客户端）

服务端（TCP 回显服务器示例）：

cpp

运行

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    // 1. 创建socket（文件描述符）
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd == -1) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置SO_REUSEADDR，解决TIME_WAIT占用端口
    int opt = 1;
    setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 2. 绑定IP和端口
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;         // IPv4
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有网卡
    server_addr.sin_port = htons(PORT);       // 端口转换（主机序→网络序）

    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(listen_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 监听连接（半连接队列大小设为5）
    if (listen(listen_fd, 5) == -1) {
        perror("listen failed");
        close(listen_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Server listening on port %d...\n", PORT);

    // 4. 接受客户端连接（阻塞）
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    int conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
    if (conn_fd == -1) {
        perror("accept failed");
        close(listen_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Client connected: %s:%d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

    // 5. 收发数据（回显）
    char buf[BUF_SIZE];
    ssize_t recv_len;
    while ((recv_len = recv(conn_fd, buf, BUF_SIZE-1, 0)) > 0) {
        buf[recv_len] = '\0';
        printf("Received from client: %s\n", buf);
        send(conn_fd, buf, recv_len, 0); // 回显数据
    }

    // 6. 关闭连接
    close(conn_fd);
    close(listen_fd);
    return 0;
}
客户端示例：

cpp

运行

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    // 1. 创建socket
    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (client_fd == -1) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 连接服务端
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect failed");
        close(client_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 发送数据
    char buf[BUF_SIZE];
    printf("Enter message to send: ");
    fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);
    send(client_fd, buf, strlen(buf)-1, 0); // 去掉fgets的换行符

    // 4. 接收回显数据
    ssize_t recv_len = recv(client_fd, buf, BUF_SIZE-1, 0);
    if (recv_len > 0) {
        buf[recv_len] = '\0';
        printf("Received from server: %s\n", buf);
    }

    // 5. 关闭连接
    close(client_fd);
    return 0;
}

2. 核心函数 / 知识点解析

（1）字节序转换（必懂）
  • 主机序：多数 CPU 是小端序（低字节存低地址）；
  • 网络序：强制大端序；
  • 核心函数：
    • htons()：主机序 → 网络序（短整型，如端口）；
    • htonl()：主机序 → 网络序（长整型，如 IP）；
    • ntohs()/ntohl()：反向转换。
（2）地址转换
  • 旧接口：inet_addr("127.0.0.1")（字符串→IP）、inet_ntoa(in_addr)（IP→字符串）；
  • 新接口（推荐）：inet_pton()/inet_ntop()（支持 IPv6，更安全）。
（3）IO 多路复用（高性能核心，面试重中之重）
模型 原理 缺点 优点
select 监听 fd_set 集合，轮询检查 上限 FD_SETSIZE（默认 1024）、需重置集合 跨平台
poll 监听 pollfd 数组，轮询检查 轮询效率低 无 fd 数量上限
epoll 红黑树 + 就绪链表，事件驱动 仅 Linux 支持 无 fd 上限、无需轮询、高性能

epoll 核心考点：

  • 水平触发（LT，默认）：只要 fd 有数据 / 可写，就持续通知；
  • 边缘触发（ET）：仅当 fd 状态变化时通知（需配合非阻塞 socket，一次性读完数据）；
  • 常用 API：epoll_create()、epoll_ctl()（添加 / 修改 / 删除事件）、epoll_wait()（等待事件）。

3. 常见编程问题（面试常考）

（1）TCP 粘包 / 拆包（高频编程题）
  • 原因：TCP 是面向字节流，无数据边界，底层会根据 MTU 拆分 / 合并数据；
  • 解决方案 （代码级必实现）：
    1. 固定长度：每次发送固定字节数，接收方按固定长度读取；
    2. 分隔符：如\n，接收方按分隔符分割数据；
    3. 消息头 + 消息体：头中包含数据长度，接收方先读长度，再读对应字节数（最常用）。
（2）Socket 超时设置

  • 场景：connect()/recv()/send()默认阻塞，需设置超时；

  • 方法：setsockopt()设置SO_RCVTIMEO/SO_SNDTIMEO：

    cpp

    运行

    复制代码 
    struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;  // 5秒超时
timeout.tv_usec = 0;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
（3）并发处理方式
  • 多进程：fork()，父子进程共享 fd（需关闭多余 fd），处理僵尸进程（waitpid()）；
  • 多线程：pthread_create()，注意线程安全（如 fd 操作加锁）；
  • IO 多路复用：epoll（高性能，单进程处理上万连接）。

四、高频面试题（问答 + 编程）

  1. 解释 TCP 三次握手 / 四次挥手的过程和意义；
  2. TIME_WAIT 的作用和解决过多的方法；
  3. 实现 TCP 回显服务器（要求处理粘包）；
  4. select/poll/epoll 的区别，epoll LT/ET 的区别；
  5. TCP 粘包的原因和解决方案；
  6. 如何设置 Socket 的超时时间；
  7. SO_REUSEADDR 的作用；
  8. TCP 拥塞控制的流程（慢启动、拥塞避免）；
  9. 为什么 UDP 适合直播 / 游戏，TCP 适合文件传输；
  10. 用 epoll 实现一个简单的高并发 TCP 服务器。

总结

  1. 核心基础：掌握 TCP/UDP 区别、TCP 三次握手 / 四次挥手、TIME_WAIT、可靠性机制；
  2. 编程实践：熟练掌握 C/C++ Socket 核心流程（socket/bind/listen/accept/connect）、字节序转换、IO 多路复用（尤其是 epoll）；
  3. 高频问题：TCP 粘包处理、Socket 超时设置、SO_REUSEADDR、epoll LT/ET 是面试中最常考察的代码级考点。
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