1 前言&课程介绍

• 描述一个复杂系统通常有两种方式：自底向上、自顶向下
  • 自底向上：用于构建对计算机网络的基本认知。从一个个基础节点开始，不断增加复杂度，直到构建出完整的计算机网络
  • 自顶向下：用于解释现成网络应用协议的特性，工作原理等。从最高层次的实际需求开始描述如何构建满足实际需求的应用

2 蟹堡王帝国

• 通过构建蟹堡王帝国类比计算机网络的构建，建立基本认知（自底向上）

3 计算机网络基础

• 网络组成部分：
  • 主机：客户端和服务端 负责提供信息或接收信息
  • 路由器：负责转发主机之间的信息
  • 网络协议：提供统一的格式，方便路由器和主机对信息进行编码和解码
• 网络结构：网络的网络
  • 区域网络->城域网络->广域网
• 信息交换方式：电路交换&分组交换
  • 电路交换：需要建立电路连接，预留资源（带宽）
  • 分组交换：√
    • 接收到新的分组后会加入输出队列，按顺序输出。当队列满了，丢弃新到的分组（即丢包）
    • 大的报文分解成n个小的报文，小的报文经过分组通过网络送到目的地，再由主机上的软件把分组拼成完整的报文
• 网络分层
  • 应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层
  • 对于上一层的调用者无需关心下一层中可能出现的任何问题
• 协议
  • 协议的存在依赖于连接
  • 协议的存在避免了用错误的方式解读数据
  • header&payload
    • HTTP协议示例：
      • Null/Loopback：说明这个帧是本机的帧，源地址和目标地址都是本机，不需要经过别的交换机
      • 链路层的数据18 00 00 00：24（十进制），代表这个链路层帧使用的是ipv6
      • IP层：使用ipv6,Src: ::1, Dst: ::1表示源IP和目标IP都是本机地址。IP协议的头部为5-44字节，包含IP协议的版本、源IP地址、目标IP地址、载荷长度等信息
      • TCP协议层：头部为20字节，包含源端口号、目标端口号、序列号、头部长度、载荷长度信息等
      • HTTP协议层：同样包含头部和载荷两部分信息。头部中包含请求路径、请求域名等
      • 报文 = 链路层的头+IP协议的头+TCP协议的头+HTTP协议的头+HTTP正文
  • TCP协议格式
    • 对HTTP2很重要
    • 注意在HTTP协议中，HTTP1.1和以前的版本中，头部和载荷是通过两个换行符和回车符进行划分；而TCP和IP协议并不是
    • 以TCP协议为例：TCP中头部和载荷的分割靠data offset部分，这部分相对于TCP数据包来说是固定的，永远在第13、14字节；而HTTP中却是要对HTTP报文做解析，将二进制数据转化为ASCII数据后，发现连续的换行符和回车符才能确定头部和载荷的边界

4 Web中的网络

• 对于web应用来说，除了HTTP协议还有很多因素影响web的性能，比如物理距离、TCP层面的路由选择等
• HTTP协议：
  • 请求：
    • 请求方法/资源路径/HTTP版本
    • 头部名称（不区分大小写）：头部值
    • 空行：分割头部和正文
    • 正文（get请求没有正文）
  • 响应
    • 状态行：HTTP版本 状态码 状态信息（可自定义）
    • 头部
    • 空行
    • 正文
• HTTP连接模型：
  • HTTP报文易理解，TCP难懂，HTTP报文可以用明文（ASCII）展示出来
  • HTTP用来请求响应模型
    • 网络利用率不高，也无法在一条连接上进行多路复用：在完整请求中间插入另一个请求的内容会导致HTTP无法分辨这部分内容是来自哪的请求
    • 请求的头部和响应的头部有很多重复，比如cookie会重复发很多次，这些重复无法压缩，增加报文的体积
  • HTTP1.0：多次建立连接，关闭连接
  • HTTP1.1：无法多路复用
    • 队头堵塞：当一个请求非常大，需要很长时间处理，第二个很小的请求也需要等待第一个请求结束后才能发出，导致很大的资源浪费 HTTP1.1最常用的方案是同时建立多个连接，但成本巨大
  • HTTP2：帧（不同于链路层的帧，但工作方式相似）
    • 帧格式
    • 就有很多类型的帧了
    • 解决了多路复用和队头堵塞的问题，还调整响应传输的优先级，头部压缩，Server Push
    • 但在TCP上还是会有队头堵塞
    • 3 RTT启动，效率很低
  • HTTP3：QUIC
    • 避免了TCP队头堵塞
    • 并将QUIC协议内置进QUIC，降低了握手延迟，可以实现首次1 RTT，二次0 RTT的连接
• CDN:DNS劫持
  • 拉策略
  • 推策略
  • 从物理层面解决HTTP协议无法解决的问题，提升web应用的性能
• WebSocket
  • 是除了HTTP协议另一个协议
  • 是有状态的持久连接，可主动推送消息，延迟比HTTP低
  • 是HTTP升级而来的
  • 报文结构

5 网络安全

• 上面讲的协议都是明文，在一台电脑到另一台电脑的过程中中途经过的所有路由器、交换机都能看到消息的全部内容，甚至丢弃、篡改。明文导致很多行为不能通过网络进行
• 网络安全：
  • 三要素
    • 机密性
    • 完整性
    • 身份验证
  • 对称加密和非对称加密
    • 区别就在于加密和解密使用的密钥是一个还是一对
    • 非对称：公钥&私钥
  • 密码散列函数（哈希函数）
  • 机密性
    • 加密算法
    • 加密密钥
  • 完整性和身份验证
    • 相互关联
  • 如何实现机密性
    • 需要先有秘密信息
    • 对比哈希值，如果一致，说明没有被篡改
  • 如何实现身份验证
    • 数字签名
    • 非对称加密
    • 密码散列函数（原文）
    • 根证书、证书链
    • PKI
  • HTTPS
    • 服务端身份验证使用PKI，客户端身份验证靠HTTP协议