计算机网络通信总结

 

OSI参考模型

物理层
①定义物理设备的标准，比如网线的类型、光纤接口的类型、各种传输介质的传输速率；②传输比特流，将比特流（二进制数据）转换为电信号、光信号进行传输，到达目的地后再转换为比特流，即模数转换、数模转换。网卡就是工作在这一层的
 

数据链路层
①传输比特流时可能会发生错传、数据传输不完整的问题，数据链路层定义了如何格式化数据、如何访问物理机，提供错误检测、纠正的功能，确保传输的可靠性；②将比特数据组装成帧进行传输，交换机工作在这一层，交换机收到后对帧解码，根据帧中包含的物理机信息把帧发送给正确的接收方
 

网络层
①将网络地址（ip地址）翻译成对应的物理地址（mac地址），并决定数据如何从发送方路由到接收方，通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的时间花费，选择从发送方到接收方的最佳路径，路由器属于这一层，这一层的数据称为数据包，这一层的主要协议是tcp/ip中的ip协议
 

传输层
传输层是OSI7层模型中最重要的一层，解决了主机将的数据传输、传输质量问题。①基于流量控制、接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率，②按照网络传输的最大尺寸（带宽），将数据强制切割为较小的数据片，并对数据片编号，接收方收到数据片后根据编号排序，组装数据片得到完整数据。这一层的主要协议是tcp/ip中的tcp、udp协议
 

会话层
管理应用程序之间的通信，自动收发包、自动寻址
 

表示层
进行数据的格式化、编码解码、加密解密、压缩解压
 

应用层
规定发送方、接收方必须使用固定长度的消息头，消息头必须含有指定部分，消息头必须记录消息体的数据长度等信息，以使应用更加方便地使用接收到的数据。这一层的主要协议是tcp/ip中的http协议
 

发送方是自上而下，接收方是自下而上。

 

TCP/IP

TCP/IP是一个协议簇，不仅仅是TCP、IP协议。OSI相当于网络通信的规范，侧重于理论设计，TCP/IP相当于具体实现，侧重于实现。

处理头部数据：发送方自上而下，接收方自下而上。
 
ip协议负责将数据包路由到目的地，但ip协议没有确认数据包是否按顺序发送、是否被破坏，ip协议是不可靠的，需要由上层协议来做出控制。

 

TCP

TCP是一种传输控制协议
 

TCP的报文结构

ip唯一标识主机，port唯一标识主机上的程序，ip、port共同组成套接字（socket）。

序号即数据包的编号，用于确认数据包是否丢失。滑动窗口用于控制流量、数据发送速率。校验和用于确认数据包中的数据是否无误。

 

TCP的特点

• 面向连接、可靠、基于字节流，将应用层的数据流分割为报文段，通过ip协议路由到目的地
• 区分客户端、服务端
• 支持滑动窗口，通过滑动窗口来控制流量、数据发送速率
• 支持错误重传。tcp将数据包编号，对方收到则返回ack确认，如果在指定时间内未返回ack确认，则认为传输失败自动重传，以此保证数据包不丢失（完整性）
• 使用奇偶校验和来检验数据是否有误，保证数据的正确性。发送、接收时都要计算校验和，比较发送、接收的奇偶校验和是否一致

 

TCP的3次握手

为什么需要3次握手才能建立起连接？

为了初始化Sequence Number，通信双方都要告知对方自己的Sequence Number值，这个值要作为后续数据通信的序号，tcp用这个值来拼接数据、保证接收到的数据不会乱序。

 

TCP的4次挥手

4次挥手由客户端、服务端任一方的close()触发。
 

为什么需要4次挥手才能断开连接？
因为tcp是全双工的，发送方、接收方都需要FIN报文、ACK报文，2*2=4。全双工：双方都可以发送数据、接收数据，半双工：只能一方发送、一方接收。

 

为什么会有TIME_WAIT状态？

• 确保有足够的时间让对方收到ack包
• 避免新旧连接混淆

 

查看TIME_WAIT、CLOSE_WAIT、FIN_WAIT、ESTABLISHED"的数量

netstat -n | awk '/^tcp/{++S[$NF]}END{for(a in S) print a,S[a]}'

 

服务器出现大量TIME_WAIT状态的原因？

客户端关闭socket，服务器忙于读、写，没有及时关闭连接。解决方式：

• 检查释放资源部分的代码
• 检查处理请求的线程配置

 

UDP

UDP的报文结构

 

UDP特点

• 不面向连接，不维护连接状态，可以同时向多个主机发送同一条消息
• 数据包小，不支持滑动窗口、错误重传，传输速度更快
• 不区分客户端、服务端
• 是不可靠传输，尽最大努力交付，不保证交付成功

 

TCP、UDP的区别

• tcp面向连接、要维护连接状态，区分客户端、服务端；UDP不面向连接、不维护连接状态，不区分客户端、服务端
• tcp提供可靠传输，udp不可靠，只是尽最大努力交付
• tcp接收报文无序，但最终要报头携带的序号进行组装，udp无序
• tcp报头体积大，udp报头体积小
• tcp速度慢，udp速度快

 

HTTP

http是超文本传输协议
 

HTTP的请求结构

 

HTTP的响应结构

 

HTTP 请求-响应过程

• 客户端连接到web服务器
• 客户端发送http请求
• 服务器接收http请求并返回响应
• 释放tcp连接
• 客户端解析响应

 

浏览器地址栏输入url，按下Enter以后的过程

• dns解析，获取域名对应的ip地址
• 建立tcp连接
• 浏览器发送http请求
• 服务器处理请求并返回http报文
• 浏览器解析响应
• 连接结束

 

HTTP状态码

• 1xx：服务器已接收请求，正在处理
• 2xx：成功
• 3xx：重定向
• 4xx：客户端错误
• 5xx：服务端错误

 

HTTP的特点

• 使用客户端/服务器模式
• 简单快速、灵活
• 无连接、无状态（不维护连接状态）

 

GET、POST的区别

• http报文层面：get将请求参数放在url中，不安全，携带的数据有限制；post放在请求体中，安全，携带的数据量无限制
• 数据库层面：get幂等、安全，post非幂等、不安全
• 缓存：get请求可以被缓存、收藏，post则不能

 

Session、Cookie

http不能保持连接状态，用会话保存用户信息，常用的会话技术有2种：Cookie、Session。
 

Cookie
当用户访问某个网站时，服务器用cookie存储用户信息，把cookie放在响应头中传给浏览器，浏览器把cookie存储到本地计算机上。当用户再次访问该网站时，浏览器自动在请求头中加上该网站的cookie，cookie随http请求一起发送给该网站的服务器，服务器解析请求头中的cookie，获取用户信息。

 

Session
使用session对象存储会话信息，保存在服务器内存中，使用SessionId来唯一标识一个session对象 ，SessionId通过Cookie技术进行存储。服务器自动把SessionId放到cookie中保存到浏览器上，浏览器访问网站时自动在http请求头中携带该网站的cookie，服务器自动从请求头的cookie中获取SessionID，确定对应的session对象。

session超时：如果客户端、服务器在指定时间（默认30min）内未进行过通信，服务器会自动删除内存中对应的session对象。如果session中可能有需要持久化的数据，应该设置监听，session超时时自动持久化session中的数据到数据库。

 

Cookie、Sessio的比较

• cookie把会话信息保存在浏览器上，session把会话信息保存在服务器上内存中
• cookie把数据存储在用户计算机上，不安全；session把数据存储在服务器上，更加安全，但会加大服务器的内存开销
• 如果考虑减轻服务器负担，使用cookie

 

HTTP、HTTPS

http请求发送的数据、http响应返回的数据很容易被截获，https是安全版的http，在http的基础上增加了安全防护。

ssl （安全套接层）是为网络通信安全、数据完整性提供的一种协议，是操作系统对外提供的API，ssl3.0后更名为tls，ssl采用身份验证、数据加密保证网络通信的安全、数据的完整性。

 

加密方式

• 对称加密：加密、解密使用同一个秘钥。安全性低但性能高
• 非对称加密：加密、解密使用的秘钥不相同，分为公钥、私钥，使用其中一个来加密，另一个来解密。安全性高但性能低。
• 哈希算法：将任意长度的数据转换为固定长度的值，算法不可逆，常见的比如md5加密
• 数字签名：在原数据的末尾添加一段加密后的哈希值，以确保数据不被修改，证明数据、文件的身份

单一使用某种加密算法不安全，https使用加密算法+证书的方式。

 

https的数据传输过程

 

http、https的区别

https比http安全很多，但不是绝对安全。

 

HTTP 2.0

相比于http1.x，http2.0支持多路复用，可以在一个http连接上发送多次请求，极大地提高了性能。
 

IP是网络层协议，TCP、UDP是传输层协议，HTTP是应用层协议。

 

滑动窗口

• 发送数据包时，是切割为有序的小数据包，多个数据包一起发送，接收方一同返回多个ack接收确认。
• 滑动窗口之前的数据包编号是已发送并接收到对方ack确认的，滑动窗口中的数据包是已发送但未收到对方ack确认的数据包、已读入内存但尚未发送的数据包，滑动窗口后的数据包是尚未读入到内存中的数据包。
• 接收到对方返回的ack确认后，滑动窗口会右移，读取未发送的数据包到内存，发送待发送的数据包。
• 接收方需要都收到之前序号的数据包，才返回ack确认。比如发送方一次发送了4、5、6三个数据包，接收方只收到了5、6，则接收方等到收到了数据包4时才会（4、）5、6的ack确认。
• 如果发送方迟迟没有收到ack确认，存在失败重传机制，会重新发送指定未发送成功的数据包。
• 滑动窗口可以动态调整窗口大小，以控制数据包发送速度。窗口大小可以为0。

 

短连接与长连接

• 短连接：连接->传输数据->关闭连接，每进行一次http操作，就建立一次连接，任务结束就中断连接。短连接常用于并发量大、每个客户端不需要频繁操作的场景。
• 长连接：连接 -> 传输数据 -> 保持连接 -> 传输数据 -> … -> 关闭连接，建立socket连接后会保持一段时间的连接。建立连接需要3次握手，很耗时，长连接可以减少建立连接的时间开销，常用于操作频繁的场景，比如数据库连接、点对点通讯。

http可以显式指定是否建立长连接 Connection:keep-alive，http1.1默认进行长连接。