计算机网络基础

TCP/IP 四层模型

网络协议

HTTP

流程

报文

GET 和 POST

HTTPS和HTTP

HTTPS

SSL 和 TLS

TCP

报文结构

TCP和UDP

三次握手和四次挥手

如何确保可靠性

流量控制

拥塞控制

DNS

RPC协议

Session

区别

B/S结构和C/S结构

C/S结构

B/S结构

区别

TCP/IP 四层模型

应用层：主要提供两个终端设备上的应用程序之间信息交换，应用层网络协议很多，如支持 Web 应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议、FTP、SSH、DNS。
传输层：负责向两台终端设备进程之间的通信提供通用数据传输。包含TCP、UDP协议。
网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信，把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。包含IP、NAT、ICMP协议。
网络接口层：将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。同时实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送。包含MAC协议实现多路访问控制。

网络协议

HTTP

基于 TCP 协议，用于传输超文本和多媒体内容，主要是为 Web 浏览器与服务器之间的通信而设计
HTTP 是一种不保存状态的协议，即HTTP 协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存。可通过引入Session 机制来记录的状态。

流程

通过 DNS 协议，获取域名对应的 IP 地址。
根据 IP 地址和端口号，向目标服务器发起一个 TCP 连接请求。
在 TCP 连接上，向服务器发送一个 HTTP 请求报文，请求获取网页的内容。
服务器收到 HTTP 请求报文后，处理请求，并返回 HTTP 响应报文给浏览器。
浏览器收到 HTTP 响应报文后，解析响应体中的 HTML 代码，渲染网页的结构和样式，同时根据 HTML 中的其他资源的 URL，再次发起 HTTP 请求，获取这些资源的内容，直到网页完全加载显示。

报文

请求报文

请求行 { 请求方法（get/post等）+ URL + 协议版本号 }
头部 { 用于传递关于请求的各种信息，如请求的主机、用户代理 }
主体 { 即数据内容，post请求时，这部分才有数据；get请求时，数据附在URL参数里 }

响应报文

状态行 { 协议版本号 + 状态码 + 状态码说明 }
头部 { 用于传递关于响应的各种信息，如响应的服务器 }
主体 { 一般为服务端返回给客户端的数据，通常包含请求的资源或者错误信息等。 }

状态码

1xx (信息)：临时响应 - 已收到请求，正在继续处理。100(请求正在处理)
2xx (成功)：服务器已成功接收并接受请求。200(请求成功)
3xx (重定向)：需要采取进一步操作才能完成请求。301(永久重定向)、302(临时重定向)
4xx (客户端错误)：请求包含错误，无法实现。400(客户端错误)、403(禁止访问)、404(内容不存在)
5xx (服务器错误)：服务器无法完成请求。502(网关无响应)、503(服务器临时错误)、504(网关超时)

GET 和 POST

GET 通常用于获取或查询资源，而 POST 通常用于创建或修改资源。
GET 请求是幂等的，多次重复执行不会改变资源的状态，可以被浏览器缓存起来提高性能和效率。而 POST 请求是不幂等的，每次执行可能会产生不同的结果或影响资源的状态。
GET 请求的参数通常放在 URL 中，长度受到浏览器和服务器的限制，并且更容易泄露数据。而 POST 请求的参数通常放在请求体中，大小则没有限制。

HTTPS和HTTP

端口号：HTTP 默认是 80，HTTPS 默认是 443。
URL 前缀：HTTP 的 URL 前缀是 http://，HTTPS 的 URL 前缀是 https://。
安全性和资源消耗：HTTP 协议运行在 TCP 之上，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份。HTTPS 是运行在 SSL/TLS 之上的 HTTP 协议，所有传输的内容都经过加密，加密采用对称加密，但对称加密的密钥用服务器方的证书进行了非对称加密。所以HTTP 安全性没有 HTTPS 高，但是 HTTPS 比 HTTP 耗费更多服务器资源。

HTTPS

HTTPS 协议是 HTTP 的加强安全版本。HTTPS 是基于 HTTP的，也是用 TCP 作为底层协议，并额外使用 SSL/TLS 协议用作加密和安全认证。默认端口号是 443。保密性好、信任度高。

SSL 和 TLS

SSL 指安全套接字协议（Secure Sockets Layer），TLS 是基于 SSL 之上的。

SSL/TLS 的核心要素是非对称加密和对称加密结合。非对称加密采用两个密钥一个公钥，一个私钥。在通信时私钥仅由解密者保存，公钥由加密者所知。（公钥只能加锁，并不能解锁）

非对称加密：公钥和私钥需要采用一种复杂的数学机制生成（密码学认为，为了较高的安全性，尽量不要自己创造加密方案）。公私钥对的生成算法依赖于单向陷门函数。（f(x;h)=y；而给定一个输出 y，陷门 h，很难根据 f 来计算出 x，但可以根据 f 和 h 来推导出 x。）

非对称加密设计了复杂的数学算法，在实际通信过程中计算的代价较高，效率太低，因此SSL/TLS 实际对消息的加密使用的是对称加密。

对称加密：通信双方共享唯一密钥 k，加解密算法已知，加密方利用密钥 k 加密，解密方利用密钥 k 解密，保密性依赖于密钥 k 的保密性。

网络通信的传输报文对任何人是可见的，密钥的交换不能直接在网络信道中传输。因此使用非对称加密，对对称加密的密钥进行加密，保护密钥不在网络信道中被窃听。这样双方只需要一次非对称加密，交换对称加密的密钥，在之后通信中使用安全的密钥对信息进行对称加密，即可保证传输消息的保密性。

TCP

报文结构

源端口和目标端口：用于标识通信的端口号。
序列号（Sequence Number）：用于按顺序排列 TCP 报文段的数据流。
确认号（Acknowledgment Number）：用于确认已接收到的数据。
数据偏移（Data Offset）：指示 TCP 报文中数据部分的长度。
控制位（Control Bits）：用于控制 TCP 连接的建立、终止、数据传输等操作。
窗口大小（Window Size）：表示发送端期望接收端为本连接中的数据报文段分配的缓冲区大小。
校验和（Checksum）：用于检测 TCP 报文在传输过程中是否发生了错误。
紧急指针（Urgent Pointer）：表示紧急数据的偏移量。
选项（Options）：用于支持 TCP 扩展功能的参数。
数据（Data）：TCP 报文中的实际数据。

TCP和UDP

是否面向连接：UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。而 TCP 提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。
是否是可靠传输：主机在收到 UDP 报文后，不给出任何确认，并且不保证数据不丢失和是否顺序到达。TCP 提供可靠的传输服务，TCP 在传递数据前会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
是否有状态： TCP 会去记录自己发送消息的状态比如消息是否发送了、是否被接收了等等，TCP 需要维持复杂的连接状态表，而 UDP 是无状态服务，就是不管发出去之后的事情了。
传输效率： TCP 进行传输的时候多了连接、确认、重传等机制，所以传输效率要比 UDP 低很多。
传输形式：TCP 是面向字节流的，UDP 是面向报文的。
UDP不提供拥塞控制机制，发送端可以以任意速率发送数据包，而不考虑网络的拥塞情况。这使得UDP适合于实时性要求高、可以容忍少量丢包的应用，如音频、视频传输等。
应用场景：TCP 用于对传输准确性要求高的场景，比如文件传输、发送邮件等。UDP 用于即时通信，比如视频、直播等。对传输数据的准确性要求不是特别高，看视频少个一两帧区别也不大。
TCP 之上的协议：HTTP (3.0之前)、HTTPS、FTP、SMTP等
UDP之上的协议：HTTP 3.0、DHCP、DNS等

三次握手和四次挥手

一次握手：客户端发送带有 SYN（SEQ=x）标志的数据包 -> 服务端，然后客户端进入 SYN_SEND 状态，等待服务器的确认（服务端接收数据，验证对方发送正常，自己接收正常）
二次握手：服务端发送带有 SYN+ACK(SEQ=y,ACK=x+1) 标志的数据包 –> 客户端,然后服务端进入 SYN_RECV 状态（客户端接收数据，验证自己发送接收正常，对方发送接收正常；）
三次握手：客户端发送带有 ACK(ACK=y+1) 标志的数据包 –> 服务端，然后客户端和服务器端都进入ESTABLISHED 状态（服务端接收数据，验证自己发送接收正常，对方发送接收正常）

第一次挥手：客户端发送一个 FIN（SEQ=x）标志的数据包->服务端，用来关闭客户端到服务器的数据传送，然后客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。（客户端发送请求表示自己想断开连接）
第二次挥手：服务器收到这个 FIN（SEQ=X）标志的数据包，它发送一个 ACK （ACK=x+1）标志的数据包->客户端。然后服务端进入 CLOSE-WAIT 状态，客户端进入 FIN-WAIT-2 状态。（服务端返回信息表示自己已收到请求）
第三次挥手：服务端发送一个 FIN (SEQ=y)标志的数据包->客户端，请求关闭连接，然后服务端进入 LAST-ACK 状态。（服务端同样发送请求表示自己要断开连接）
第四次挥手：客户端发送 ACK (ACK=y+1)标志的数据包->服务端，然后客户端进入TIME-WAIT状态，服务端在收到 ACK (ACK=y+1)标志的数据包后进入 CLOSE 状态。客户端等待 2MSL （报文段最大生存时间，防止ACK没有发送到）后依然没有收到回复，证明服务端已正常关闭，随后客户端也关闭连接。（客户端返回信息表示可以断开了，服务端收到后关闭，客户端等待后也随即关闭）

如何确保可靠性

应答机制：TCP采用应答机制来确认数据包的接收情况。发送方在发送数据后，会等待接收方的确认应答，如果一定时间内没有收到确认应答，就会重发数据包。

序号与确认号：TCP使用序号和确认号来标识数据包的顺序和接收情况。每个TCP报文段都包含一个序号字段和一个确认号字段，用于确保数据包的正确顺序和接收情况。

超时重传：如果发送方在一定时间内没有收到接收方的确认应答，就会认为数据丢失，会触发超时重传机制，重新发送数据包。

滑动窗口：TCP使用滑动窗口来控制数据的发送和接收速率，确保发送方和接收方之间的数据流量控制，避免发送方发送速度过快导致接收方无法及时处理。

连接管理：TCP在建立连接和断开连接时，会进行严格的连接管理，包括三次握手建立连接和四次挥手断开连接，确保连接的可靠性和稳定性。

流量控制

流量控制用于控制发送方向接收方发送数据的速率，以避免接收方处理不过来导致数据丢失或者缓冲区溢出。TCP 使用了滑动窗口机制来实现流量控制。接收方会通过通告窗口大小的方式告诉发送方自己的接收能力，发送方根据接收方的窗口大小来控制发送数据的速率，保证接收方能够及时处理接收到的数据。

滑动窗口

发送方维护一个发送窗口和一个接收窗口。
发送窗口表示发送方还可以发送的数据段的序列号范围。
接收窗口表示接收方可以接收的数据段的序列号范围。
发送方根据接收方通告的接收窗口大小调整自己的发送窗口大小，确保发送窗口不超过接收窗口。
发送方发送数据段后，等待接收方的确认，确认后发送窗口向前滑动，发送下一个数据段。

拥塞控制

慢启动：发送端在开始发送数据时，先以一个较小的窗口大小开始发送数据，然后随着时间的推移逐渐增大发送窗口的大小，直到达到一个合适的值。

拥塞避免：一旦发送端检测到网络中发生了拥塞（例如收到了重复的确认或超时），就会减小发送窗口的大小，以避免继续加剧网络拥塞。拥塞避免算法通常采用加性增加、乘性减小的方式来调整发送窗口的大小。

快速重传：当发送端连续收到三个重复的确认信息时，就会认为有一个数据包丢失了，立即重传该数据包，而不必等待超时计时器到期。

快速恢复：快速重传后，发送端将窗口大小减半，并进入快速恢复状态，在此状态下继续执行拥塞避免算法，逐渐增大发送窗口的大小。

IP

DNS

DNS(DOMAIN NAME SYSTEM)是一个域名系统，是万维网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。

本地域名服务器(Local DNS)：如果通过DHCP配置，Local DNS由ISP提供

根域名服务器(Root DNS)：当Local DNS解析不到时，第一步向Root DNS查询，并获得顶级域名服务器的IP地址。Root DNS并不直接用于域名解析，仅用于返回可供查询的顶级域名服务器IP地址。

顶级域名服务器(Top Level DNS)：负责管理在该顶级域名服务器下注册的二级域名

第一步：客户机提出域名解析请求，DNS服务器收到查询请求后，首先在浏览器/系统缓存中找，接着在host文件中找，如果还是没有请求发送给本地域名服务器。

第二步：当本地域名服务器收到请求后,就先查询本地缓存,如果有该纪录项,就直接把查询结果返回。

第三步：如果本地缓存中没该纪录,则本地域名服务器就直接把请求发给根域名服务器,然后根域名服务器再返回给本地域名服务器一个所查询域(根子域)主域名服务器地址。

第四步：本地服务器再向一步返回域名服务器发送请求,然后接受请求服务器查询自己缓存,如果没该纪录,则返回相关下级域名服务器地址。

第五步：重复第四步,直到找到正确纪录。

第六步：本地域名服务器把返回结果保存到缓存,以备下一次使用,同时还将结果返回给客户机。

如果想跨网段使用DNS服务器进行域名解析，就需要用到DNS中继（DNS relay）在进行DNS查询的时候由DNS中继服务器将DNS查询请求转发到负责需要查询的域的DNS服务器，然后将查询结果返回。

RPC协议

RPC（远程过程调用）协议是一种应用层协议，用于不同计算机之间的远程调用。它允许一个程序调用另一个地址空间（通常是另一台机器上）的函数或方法，就像调用本地函数一样，而无需程序员显式编写网络通信代码。

RPC 协议的基本原理是将远程调用封装成本地调用的形式，使得调用方不需要了解底层的网络通信细节。它通常由以下几个组成部分：

远程接口定义（Remote Interface Definition）：定义了远程服务接口及其方法、参数和返回值等信息。RPC 框架根据接口定义生成客户端和服务器端的代理代码，用于实现远程调用。
通信协议：RPC 框架使用一种通信协议在客户端和服务器端之间传输数据。包括 HTTP、TCP、UDP 等。
序列化与反序列化：在远程调用过程中，需要将调用参数和返回值进行序列化（将数据转换成字节流）和反序列化（将字节流转换成数据）。常用的序列化格式有 JSON、XML、Protobuf 等。
客户端代理和服务器端代理：RPC 框架根据远程接口定义生成客户端和服务器端的代理代码。客户端代理负责将本地调用转换成远程调用，并将调用结果返回给调用方；服务器端代理负责接收远程调用请求，并将请求转发给实际的服务实现对象。

RPC 协议的优点包括：

提高开发效率：RPC 框架隐藏了底层的网络通信细节，开发者只需关注业务逻辑，可以快速开发分布式应用。
提供了统一的远程调用接口：RPC 框架基于接口定义生成客户端和服务器端的代理代码，提供了一种统一的远程调用接口，使得不同语言和平台之间的通信更加方便。
支持跨语言调用：RPC 框架可以实现跨语言调用，客户端和服务器端可以使用不同的编程语言实现。
提供了安全性和可靠性保障：RPC 框架通常提供了安全认证、数据加密、失败重试等功能，保障了远程调用的安全性和可靠性。
支持异步调用：一些高级的 RPC 框架支持异步调用，提高了系统的并发处理能力。

Cookie是浏览器提供的一种让程序员在本地存储数据的能力，让数据在客户端这边更持久化。

由于HTTP协议是无状态的协议。一旦数据交换完毕，客户端与服务器端的连接就会关闭，再次交换数据需要建立新的连接。这就意味着服务器无法从连接上跟踪会话。即用户A购买了一件商品放入购物车内，当再次购买商品时服务器已经无法判断该购买行为是属于用户A的会话还是用户B的会话了。跟踪会话必须引入一种机制。Cookie就是这样的一种机制，可以弥补HTTP协议无状态的不足。

浏览器里面存的Cookie都是从服务器的响应报文“报头”里面的 set-cookie 字段中来的，每个 set-cookie 字段里面都包含一个Cookie 这样的键值对，浏览器拿到响应之后就会把 set-cookie中的内容保存到本地，而 set-cookie 就是程序员自己在服务器中构造填写的。

但因为Cookie是明文非常不安全，并且信息数据也很大，每次传输都是非常占用带宽。

Session

因为cookie是客户端保存的数据，而这些数据又是跟用户强烈相关联的，显然保存在客户端这边就不太合适（太多也占资源），所以把数据都保存在服务端这边就比较的合适；保存的方式就是通过session的方式来进行保存的。如果说Cookie机制是通过检查客户的“通行证”的话，那么Session机制就是通过检查服务器上的“客户明细表”来确认客户身份。

服务器根据用户登录成功，就会生成一个键值对：key：SessionId，是一个随机，唯一的字符串value：是用来保存客户身份信息，服务器以“键值对”的方式来把这些session给管理起来，每个用户的登录都会生成一个会话。客户端只需要保存 sessionId就可以了，后续的请求带上 sessionId，服务器就会根据 sessionId 就会找到对应的用户数据详细的信息。

session客服端很轻量，不用存储大多的数据，客户端和服务器之间传输的数据量小，节省带宽。

B/S结构和C/S结构

C/S结构

Client/Server(客户机/服务器)结构，是大家熟知的软件系统体系结构，通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通讯开销，充分利用两端硬件环境的优势。

C/S 结构把数据库内容放在远程服务器上，而在客户机上安装相应软件。C/S 软件一般采用两层结构，由两部分构成：前端是客户机，即用户界面结合了表示与业务逻辑，接受用户的请求，并向数据库服务提出请求，通常是一个PC 机；后端是服务器，即数据管理将数据提交给客户端，客户端将数据进行计算并将结果呈现给用户。

在三层 C/S 体系结构中，增加了一个应用服务器，可以将整个应用逻辑驻留在应用服务器上，而只有表示层存在于客户机上。这种结构被称为“瘦客户机”。三层C/S 体系结构将应用功能分成表示层、功能层和数据层。

B/S结构

即Browser/Server（浏览器/服务器）结构，是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面完全通过WWW浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，B/S结构，结合浏览器的多种script语言技术，用通用浏览器就实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本。

B/S 结构，就是只安装维护一个服务器，而客户端采用浏览器运行软件。采用三层客户服务器结构，在数据管理层和用户界面层增加了一层结构，即中间件，使整个体系结构成为三层，核心概念是利用中间层将应用分为表示层、业务逻辑层和数据存储层三个不同的处理层次。

中间件作为构造三层结构应用系统的基础平台，提供了以下主要功能：负责客户机与服务器、服务器与服务器间的连接和通信；实现应用与数据库的高效连接；提供一个三层结构应用的开发、运行、部署和管理的平台。这种三层结构在层与层之间相互独立，任何一层的改变不会影响其它层的功能。

区别

B/S：web应用可以实现跨平台，客户端零维护，但是个性化能力低，响应速度较慢。 C/S：桌面级应用响应速度快，安全性强，个性化能力强，响应数据较快

C/S 一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强

B/S 建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，面向是不可知的用户群

C/S 程序可以不可避免的整体性考虑，构件的重用性不如在B/S要求下的构件的重用性好. B/S 对的多重结构,要求构件相对独立的功能. 能够相对较好的重用.