计算机网络

OSI 七层模型

OSI模型指的是Open System Interconnection Reference Model，即开放式系统互联模型。它是世界上第一个试图在世界范围内规范网络标准的框架。

物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表现层，应用层

应用层

位于OSI模型最上方
只关心业务逻辑，不关心数据的传输

表现层

负责协商用户传输的数据格式，并转换数据格式

会话层

负责管理两个连网实体间的连接
功能及特点:建立连接，维持通信，释放连接

传输层

负责将数据从一个实体（一个服务或应用）传输到另一个实体，但不负责数据传输的方式
传输层的能力：

• 数据分隔重组:将数据拆分后按顺序重组
• 纠错：在数据传输过程中出现问题后采取方式进行纠正
• 管理连接：数据处理的频繁交换
• 流量控制：控制传输数据的速率
• 端口寻址：标明参与传输的实体端口号

例如上海搬去广州

网络层

负责把一个封包从一个ip地址传输到另一个ip地址

数据链路层

确保两个临近设备间数据的传输，并隐藏底层实现
帧同步：两个设备直接传输时的协商速率问题
数据纠错

物理层

封装和隐藏具体的传输手段，并且提供稳定的传输接口
比如:电缆、光纤、蓝牙等

TCP/IP（互联网）协议群的5层模型

应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层

应用层：数据从一个应用发往另一个应用的过程
传输层：主机到主机之间的传输
网络层：提供路由和寻址
数据链路层：两个节点之间的物理连接
物理层：负责0-1信号的传输

解决的5大问题

报文拆分、增加协议头、数据在相邻设备间数据传输、路由和寻址、数据重组

• 报文拆分
  数据量大，网络底层设备不支持
  复用路径
  
• 增加协议头
  数据方块后再接受端需要重组，所以需要使用头部来添加描述字段
  
• 数据再相邻设备间数据传输
  
• 路由和寻址
  路由算法：通过算法寻找下一个要到达的节点
  
• 数据重组
  

可选协议

• 传输层：TCP协议、UDP协议、TLS/SSL、SCTP协议等
• 网络层：IP协议（ipv4和ipv6）、ICMP协议、IPSec协议

TCP协议

TCP全名是（Transport Control Protocol），是一个可以提供可靠的、支持全双工、连接导向的协议，因此在客户端和服务端之间传输数据的时候，必须先建立一个连接。

三次握手过程

客户端发送SYN
服务端针对客户端的SYN给出ACK
服务端发送SYN
客户端发送ACK

四次分手的过程

客户端发送断开请求FIN
服务器收到请求，发送ACK
服务端经过一个等待（结束业务），确定关闭连接，发送FIN
客户端收到FIN，处理完自身的业务后发送ACK

TCP主要功能

报文拆分
添加TCP请求头
数据重组

报文拆分

应用层数据无法一次性传输完成
可以拆分后并行传输

如何保证顺序？

**TCP发送序号（Seq）就是接受序号（Ack）**(seq等于ack)
一个端发送的序号是另一个端的接受序号

增加TCP请求头

源端口：描述发送方机器上的应用
目标端口：描述接收方服务器上的应用
发送序号（seq）/接受序号（Ack）

标志位

TCP扩展协议：NS、CWR、ECE
ECN：显示拥塞控制协议，有助于帮助解决延迟和丢包问题
URG：紧急标志位
SYN（Synchronize Sequence Numbers）：同步序号，就是建立连接
FIN：终止连接
ACK（Achnowledgment）：响应
PSH（push）：传送数据
RST（Reset Connection）：重置连接

TCP协议周边配置

纠错能力：保证数据可靠性；
流控能力：协同两边速率，保证可靠性；
拥塞控制能力：确定网络的拥堵情况和传输速度

纠错和Checksum

TCP拥有一个16bit的Checksum字段
Checksum是一个函数，把原文映射到一个不可逆的16bit的编码中这样就可以知道原文传输过程中有没有发送变化

流控能力

主要目标：让发送方和接收方协商一个合理的收发速率，让两边都可以稳定工作
利用滑动窗口

IP协议

Internet Protocol ：网络层协议

网络层需要降级的三个问题

延迟
吞吐量
丢包率

IP协议目前主要有两种，IPv4和IPv6，IPv4目前是应用最广泛的互联网协议

IP协议的工作原理

分片，增加协议头，延迟、吞吐量、丢包率，寻址，路由

分片

把数据切分成片
适配底层传输网络

增加协议头

协议头

• Type Of Service：服务的类型，是为了响应不同的用户诉求，用来选择延迟、吞吐量和丢包率之间的关系。
• IHL（Internet Header Length)：IP协议头的大小。
• Total Length：报文(封包datagram)的长度
• Identification：报文的ID，发送方分配，代表顺序
• Fragment offset：描述是否要分包（拆分），和如何拆分。
• Time To Live：封包存活的时间。
• Protocol：描述上层的协议，比如TCP=6,UDP=17
• Options：可选项
• Checksum：检验封包的正确性

延迟、吞吐量、丢包率

延迟：1bit的数据从网络的1个终端传输到另一个终端需要的时间。
吞吐量：单位时间内可用传输的平均数据量。
丢包率：发送出去的封包没有到达目的地的比例。

三者无法同时满足

寻址

给一个地址，然后寻找这个位置
IPv4地址（32位）：逐级寻址

例如：103.16.3.17

寻址过程：逐级找到网络，最后定义设备

寻址步骤

• 找到顶层网络：
  103.16.3.1 最顶层的网络号和 255.0.0.0 （子网掩码）做位与运算得到：
  103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0
  （ip地址与子网掩码进行与运算得到顶层网络）
  

• 找到下一层网络
  用ip地址和下一级的子网掩码做位与运算

103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0

• 依次找到下级网络

使用 255.255.255.0 子网掩码找到下一级网络：

103.16.3.1 & 255.255.255.0 = 103.16.3.0

路由

若寻找的IP地址不在局域网中，需要路由找到去往对应网络的路径
IP地址和子网掩码位与的过程是由路由算法实现的

IPv6协议

背景
IPv4只能支持43亿设备，不够用。

IPv6的工作原理

IPv6和IPv4两者工作原理相似，为切片、增加封包头、路由（寻址）几个阶段。

IPv6和IPv4的主要区别

• 地址
  地址数量：IPv4有4个8位，共16位，IPv6有8个16位，共128位
  分隔符号：
  IPv4的地址用.分割，如103.28.7.35 。每一个是8位，用0-255的数字表示。
  IPv6的地址用:分割，如0123:4567:89ab:cdef:0123:4567:89ab:cdef 。每个是一个16位的16进制数字，就是4个符。

书写方式：IPv6地址可简写

• 寻址

全局单播

站点前缀（Site Prefix）：48bit，一般是由ISP（Internet Service Provider运营商）或RIR（Regional Internet Registry，地区性互联网注册机构）。RIR将IP地址分配给运营商。
子网号（subnet ID）：16bit，用于站点内部区分子网。
接口号（Interface ID）：64bit，用于站点内部区分设备。

本地单播

给定地址，本地网定位设备

例子：fe80::123e:456d

分组多播

• 需要以8个1，也就是 ff00 开头，后面跟上一个分组的编号。
• 所在的网络中已经定义了该分组编号，而且有设备可以识别这个编号。
• 拥有分组下设备的完整清单，并把数据发送给对应的设备们。
• IPv4也支持分组多播，但需要网络配置整体配合。

UDP协议

User Datagram Protocol 用户数据报文协议，允许丢包

协议简单，搭建在IP协议之上
尽可能减少通信机制，速度非常快
该协议的RFC只有两页

在传输层提供直接发送报文（datagram）的能力
发送报文，无法拆分数据

UDP的封包格式

Source Port ：源端口号
Destination Port：目标端口号
Length：消息体长度
Checksum：检查封包是否出错
Data octets：一个字节一个字节的数据。Octet是8位。

UDP和TCP

本质：

• TCP：提供可靠的网络传输
• 提供报文交换，简化协议
  可靠性：
• TCP：可靠
• UDP：不可靠
  顺序：
• TCP：有序
• UDP：无序
  负载：
• TCP：负载大
• UDP：负载小

UDP适合场景
影视音乐传输可以使用UDP，允许丢包
广播
语音视频通话，会议

TCP适合场景
聊天室

Http适合UDP吗？

合适，Http3.0就是建立在UDP上的

HTTP协议

Http协议（Hyper Text Transfer Protocol）：应用层协议
目标是处理客户端和服务端之间的通信

http将web应用抽象成一个请求返回的模型

请求

一次请求，分成头（Header）和体（Body）
URL

返回

一次返回，也分为头（header）和体（Body）
状态码

网址（URL）

DNS

（Domain Name System）域名解析器

工作原理

1.先查询浏览器的本地缓存（通常在内存中）
2.本地没缓存，查找到操作系统的hosts文件，该文件在linux的/etc/hosts中
3.上述步骤没有找到，dns会查询本地服务提供商（ISP）

CDN

将请求分散到全世界各地，分发流量，加快访问速度

CDN上无法部署业务逻辑，更新慢，无法保证一致性，比较适合 静态资源，比如图片、视频、脚本文件、样式文件等。（Nginx）

常见请求头参数

Content-Type

• text/html：HTML格式
• text/css：css文本
• application/json： JSON数据格式
• image/jpeg：jpg图片格式
• text/plain：纯文本格式

Origin：描述请求来源地址

Accept

HTTP协议协商能力的体现，用于建议服务端返回何种媒体类型(MIME Type)

• */*代表所有类型(默认)
• 多个类型用逗号隔开例如：text/html, application/json
• Accept-Encoding：建议服务端发送哪种编码（压缩算法）
• deflate, gzip;q=1.0, *;q=0.5
• Accept-Language：建议服务端传递哪种语言
• Accept-Language：fr-CH, fr;q=0.9, en;q=0.8, de;q=0.7, *;q=0.5

Connection

决定HTTP连接（不是TCP连接）是否在当前事务完成后关闭。
Http1.0 默认是 close
Http1.1 后默认是 keep-alive

HTTP的方法

• GET：从服务器获取资源
• POST：在服务器创建资源(幂等性)
• PUT：在服务器修改资源
• DELETE：在服务器删除资源

状态码

1xx：提供信息
100 continue 101 切换协议(switch protocol)
2xx：成功
3xx：重定向
4xx：客户端错误
5xx：服务端错误

2xx状态码

200 – OK
201 – Created 已创建
202 – Accepted 已接收
203 – Non-Authoritative Information 非权威内容
204 – No Content 没有内容
205 – Reset Content 重置内容
206 – Partial Content 服务器下发了部分内容(range header)

3xx状态码

300 – Multiple Choices 用户请求了多个选项的资源（返回选项列表）
301 – Moved Permanently 永久转移
302 – Found 资源被找到（以前是临时转移）
303 – See Other 可以使用GET方法在另一个URL找到资源
304 – Not Modified 没有修改（缓存部分特别说明）
305 – Use Proxy 需要代理
307 – Temporary Redirect 临时重定向
308 – Permanent Redirect 永久重定向

4xx状态码

400 – Bad Request 请求格式错误
401 – Unauthorized 没有授权
402 – Payment Required 请先付费
403 – Forbidden 禁止访问
404 – Not Found 没有找到
405 – Method Not Allowed 方法不被允许
406 – Not Acceptable 服务端可以提供的内容和客户端期待的不一样

5xx状态码

500 – Internal Server Error(内部服务器错误)
501 – Not Implemented（没有实现)
502 – Bad Gateway(网关错误)
503 – Service Unavailable(服务不可用)
504 – Gateway Timeout(网关超时)
505 – HTTP Version Not Supported（版本不支持)

HTTP缓存

传统的HTTP协议层网络结构的三种实体：Web服务器，浏览器，代理

Http缓存最重要的配置项为Cache-Control http返回头。不仅浏览器可以缓存，浏览器和服务器之间的HTTP代理服务器也可以缓存。

HTTP连接

keep-alive

多次请求复用一个TCP连接

keep-alive的断开

• 单个请求：请求完成后，在timeout时间内没第二个请求进来则会关闭。
• 多个请求：在一个请求响应之后，在 timeout 时间内有另一个请求进来，就会利用相同的 TCP 连接继续响应这个请求，直到没有更多请求进来，可以通过 max 字段设定最多响应的请求数。

keep-alive是否是长连接

keep-alive并不是长连接
WebSocket：长连接，提供在HTTP协议退化成TCP协议的方式。让客户端和服务器之间保持很长时间的连接且不中断

加密、解密和证书

加密

将明文消息变成不可读的密文内容，只有拥有解密方法的对象才能够将密文还原成加密前的内容。

对称加密

加密/解密用一个秘钥，且加密方和解密方都知道秘钥，如DES，3DES等

非对称加密

加密用一个秘钥，解密用另一个秘钥且加密方一般有2个秘钥，解密方有一个秘钥。非对称加密安全性高，但速度慢，如RSA算法。

摘要算法

将原文和摘要同时传输给接收方

特点：公开，一致，难碰撞

场景举例：密码保存

场景举例：数据传输

HTTPS和HTTP2.0

HTTPS

应用层协议（有(SSL)加密后的证书）

Https采用对称加密的方式加密传输数据，使用对称加密的秘钥，采用非对称加密的方式进行协商。

过程
1.TCP协议三次握手
2.服务器利用TCP将证书发送给浏览器
3.浏览器通过本地Root CA验证网站证书
4.浏览器用证书的公钥加密：协商对称加密的算法和密码、
5.服务器响应，确定对称加密算法和密码
6.会话建立（来往数据使用对称加密）

常用的Linux网络指令

ssh/scp 远程操作相关的
ifconfig/netstat 查看本地网络状态
ping/telnet 测试网络情况
host/dig/nslookup dns查询
curl/wget 模拟发送请求

reboot 重启linux
scp 文件名 用户名@机器名 :路径 远程复制文件指令
scp file.txt user@remotehost:/home/user/

netstat 查看本机网络使用状态
netstat -ntlp | grep 9092 查看9092端口

ping ip地址 可以查看丢包率

telnet
telnet www.baidu.com 80 连接主机

TCP和UDP区别

面向流（面向连接）vs面向报文
TCP保证可靠性，UDP不保证可靠性
BIOvsNIO，AIO
TCP有延迟问题vsUDP有丢包问题
UDP实现广播成本低
TCP有三次握手四次分手的过程

都是传输层协议

TCP如何保证数据的顺序

利用（seq，ack）编号确定封包的唯一性

NIO优势

reactive模型+非阻塞（减少线程切换）
内核级别拷贝内存到JVM（减少系统调用）
缓冲区增加数据处理的灵活性（clear/flip等操作）

处理IO场景有着明显的性能优势（例如日志请求）