计算机网络概论

一、课程目标

建立对计算机网络的整体认知，对计算机网络中的各种概念(网络分层、网络协议、网络应用等)有初步的了解

通过一个示例建立对计算机网络的整体认识
建立对网络协议分层的认知
分析HTTP1、2、3的关系
介绍CDN运行的基本原理
了解网络安全的基本原则

二、计算机网络基础

网络组成部分

主机:客户端和服务端
路由器
网络协议

网络结构:网络的网络

本地网络
三个本地网络节点的网络
全国通信网络:本地网络的网络
区域网络、城域网和广域网

协议

协议的存在依赖于连接

协议定义了在两个或多个通讯实体之间交换的报文格式和顺序，以及报文发送和/或接受一条报文或其他事件所采取的动作

HTTP协议示例

1.链路层-本地帧头部 2.链路层-IP协议头部 3.运输层-TCP协议头部 4.应用层-HTTP协议头部

TCP协议格式

TCP协议格式.png

小结

网络组成部分: 由主机、路由器、交换机等组成

网络结构:网络的网络
信息交换方式:电路交换和分组交换
网络分层:分清职责、物理层、链路层、网络层、运输层和应用层
网络协议:标头和载荷

三、web中的网络

HTTP链接模型.png

HTTP1.1.png

前三个字节:载荷长度第四个字节:类型第五个字节:类型对应的Flags 6-9字节: 第1位:保留位第2-32位:流ID 随后的8192字节:载荷
HTTP2:帧带来的额外好处

调整响应传输的优先级
头部压缩
Sever Push

HTTP2 队头堵塞.png

HTTP2 3RTT启动.png

HTTP3 QUIC-1RTT.png

HTTP：QUIC-0 RTT.png

CDN是什么？

CDN英文全称Content Delivery Network，中文翻译即为内容分发网络。它是建立并覆盖在承载网之上，由分布在不同区域的边缘节点服务器群组成的分布式网络。

CDN:你无法突破物理极限的

HTTP3快吗？——快！
那从美国到中国，HTTP3要多久——150ms

CDN:DNS劫持

域名解析一般由网站自己处理
要加速的域名则重定向到CDN厂商的域名解析服务处理
CDN厂商根据来源确定最近的CDN服务器的IP
用户直接访问最近的CDN服务器

WebSocket:

有状态的持久连接
服务器可以主动推送消息
用WebSocket发送消息延迟比HTTP低

小结

HTTP1 2 3的演进历史
CDN解决了HTTP协议之外的问题
WebSocket从HTTP协议升级而来

四、网络安全

三要素：

机密性:攻击者无法获知通信内容
完整性:攻击者对内容进行篡改时能被发现
身份验证:攻击者无法伪装成通信双方的任意一方与另一方通信

对称加密和非对称加密

对称加密:加密、解密用同样的密钥
非对称加密:加密、解密使用不同的密钥（公钥和私钥），而且 $\color{skyblue}{公钥加密只能用私钥解密、私钥加密只能用公钥解密}$

密码散列函数(哈希函数)

输入:任意长度的内容
输出:固定长度的哈希值

机密性

加密需要加密算法和密钥等信息(统称为秘密信息)
网络是明文的，不安全

完整性和身份验证

完整性和身份验证互相关联

如何实现机密性

已知:网络是明文的
如果双方可以通过明文通信商量出秘密信息，那么攻击者也可以
所以想要通过明文通信交换秘密信息，通信双方需要先有秘密信息

如何实现完整性

性质:找到两个不同的输入使之经过密码散列函数后有相同的哈希值，在计算上是不可能的
- 有明文m,密码散列函数H
- 计算H(m)获得哈希值h
- 将m和h组合成新信息m+h
- 接受方拆分m+h,重新计算H(m)得h',对比h'和h,若两者一致就没有被篡改

————————————————————————————————

- 有明文m,密码散列函数,以及一个*密钥*s
- 计算H(m+s)获得哈希值h
- 将m和h组合成新信息m+h
- 接受方拆分m+h,重新计算H(m+s)得h',对比h'和h

所以想要实现完整性，通信双方需要先有秘密信息

如何实现身份验证

签名:用于鉴别身份和防止伪造
非对称加密:加密、解密使用不同的密钥（公钥和私钥），而且公钥加密只能用私钥解密、私钥加密只能用公钥解密
某人用自己的私钥对信件进行加密,并发给另一个人
另一个人用某人的公钥进行解密,获得原文
保证了 $\color{red}{机密性完整性和身份验证}$
$\color{skyblue}{根证书}$ 是证书链的尽头
验证的一连串证书称为 $\color{skyblue}{证书链}$
分发证书、验证证书的基础设施称为 $\color{skyblue}{PKI,Public Key Infrastructure}$
所以 $\color{red}{想要实现身份验证，通信双方需要先有秘密信息，即根证书中的公钥}$

HTTPS

把HTTP的明文换成密文,在验证身份,即HTTPS HTTPS=HTTP+TLS

TLS = $\color{skyblue}{身份验证}$ + $\color{red}{加解密}$ $\color{skyblue}{身份验证}$ 靠 $\color{green}{PKI}$ 服务端身份验证靠PKI,客户端身份验证靠HTTP协议

小结

网络安全三要素:机密性、完整性和身份验证
在没有提前交换秘密信息的前提下，无法在不安全的信道交换秘密信息
PKI保证了普通用户不需要"面对面"和根证书机构交换根证书
HTTPS使用PKI完成了除客户端身份验证以外的特性，客户端身份验证靠HTTP协议实现

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