计算机网络基础

分析方法

• 自底向上：1.从简单开始，逐渐变复杂
• 2.将模块逐渐拼凑成一个系统
• 自顶向下：1.从复杂开始，逐渐变简单
• 2.从复杂的系统问题入手，拆分为模块问题

三步走战略

• 1.在比奇堡开通外卖(加大业务)
• 2.在北京和上海开通分店(拓宽外省市场)
• 3.在全国开分店并开通外卖(城市间联系，大大降低成本)
• 顾客：客户端
• 分店：服务端
• 小区转发点和蟹堡王城市转发分店：路由器
• 转发表格：网络协议

网络结构：网络的网络

• 比奇堡和小区网络：本地网络
• 北京和上海分店+比奇堡：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(从左到右)

电路交换＆分组交换

• 线路单一会大大影响效率，因而分组可以有效提高效率，防止资源浪费

网络分层(每一层无需担心下一层的事件，只需关注最主要的工作)

• 快递员不关心包裹内容
• 卡车司机不关心拉的货是什么
• 高速公路建设者不关心会有什么车经过

协议

• 协议的存在依赖于连接
• 协议定义了么在两个或多个通信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

标头(快递面单)和载荷(包裹内容)

• 收件人/寄件人的关注点和快递公司的关注点不同

HTTP协议

• 示例：1.链路层-本地帧头部(不需要经过别的交换机)［第一行 4个字节］
• 2.链路层-IP协议头部［第一行到第三行 40个字节］
• 3.运输层-TCP协议头部［第四行 20个字节］
• 4.应用层-HTTP协议头部［剩下的行］
• 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

Web中的网络

HTTP协议

• 红色字体是请求，蓝色字体是响应
• 请求第一行为起始行GET(方法) /(自然路径) HTTP/1.1(HTTP版本)，然后是头部，格式为(头部的名称：头部的值)
• 响应第一行为状态行HTTP/1.1(HTTP版本) 200(状态码) OK(状态信息)此头部有正文

HTTP连接模型(不断更新改进的过程)

• 有队头堵塞的问题
• HTTP1.1：无法多路复用
• HTTP2:帧(解决无法多路复用和对流堵塞)额外的好处：1.调整响应传输的优先级 2.头部压缩 3.Server Push
• 但HTTP2依然无法解决在TCP中队头堵塞
• HTTP2:3RTT启动(效率低)
• HTTP3：QUIC 1.Quick UDP Internet Connection
• 2.现存网络设备对TCP和UDP的支持以僵化
• 3.UDP不靠谱但QUIC靠谱
• 4.QUIC可以为除HTTP协议以外的应用层协议提供支持
• HTTP3：QUIC-1 RTT QUIC第一次访问(多把密钥可同时使用)
• HTTP3：QUIC-0 RTT QUIC第二次访问(直接读取上一次访问的信息并提供)

CDN

• CDN：你无法突破物理极限的(北京到美国的延迟和北京到上海的延迟有很大差别，而建立CDN有效解决了问题)
• CDN：你的钱包够鼓吗？(多次发送数据到外省成本高，而本地共享可节省成本且降低延迟)
• CDN：你够强大吗？(建立多台服务器以应对流量高峰)
• CDN：还得是我(在全国多个城市建设CDN服务器)
• CDN：最多跳两次！(全国用户最多跳跃两次可达自己的地区，方便快捷)
• CDN：DNS劫持 1.域名劫持一般由网站自己处理
• 2.要加速的域名则重定向到CDN厂商的域名解析服务处理
• 3.CDN厂商根据来源确定最近的CDN服务器的IP
• 4.用户直接访问最近的CDN服务器
• CDN：近了，近了吗？(物理距离近延迟不一定小，若转接了多个路由器则会造成更大的延迟)
• CDN：地主家也没有余粮了
• 拉策略：以用户需求添和删数据
• 推策略：以官方决定添删数据

WebSocket

• 1.有状态的持久连接
• 2.服务端可以主动推送消息
• 3.用WebSocket发送消息比HTTP延迟低
• WebSocket：升级！(从HTTP升级而来)
• WebSocket：发送消息

网络安全

网络安全三要素

• 1.机密性：攻击者无法获知通信内容
• 2.完整性：攻击者对内容进行篡改时能被发现
• 3.身份验证：攻击者无法伪装成通信双方的任一方与另一方通信

网络安全：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），而且公钥加密只能用私钥解密、私钥加密只能用公钥解密

网络安全：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
• 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

网络安全：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
• 怎么在不安全的信道交换秘密信息？

网络安全：完整性和身份验证

• 完整性和身份验证相互关联
• 蟹老板向银行发起了转账请求
• 银行需要确认-
• 1.这个请求真的是蟹老板发起的
• 2.目标账户和转账金额没有被篡改

网络安全：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

网络安全：如何实现完整性

• 密码散列函数性质：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
• 接收方拆分m+h，重新计算H(m)得h'，对比h’
• 和h

网络安全：如何实现完整性

• 有明文m，密码散列函数H，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
• 接收方拆分 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(必需至少有一个攻击者无法直接获取或推断的信息)

网络安全：如何实现身份验证

• 签名：用于鉴别身份和防止伪造
• 非对称加密性质：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
• 蟹老板用自己的私钥对信件进行加密，并发送给海绵宝宝
• 海绵宝宝使用蟹老板的公钥进行解密，获得原文
• 保证了机密性、完整性和身份验证

网络安全：如何实现身份验证(需要最权威的证书认定)

• 数字签名：对明文内容的哈希值使用私钥加密，验证者使用公钥验证
• 数字签名（指纹）=私钥加密（密码散列函数（原文）)
• 消息=原文+数字签名
• 一般用于对公开内容（如包含公钥的证书）进行数字签名，防止篡改

网络安全：如何实现身份验证

• 可信的人验证蟹老板的公钥
• 那谁验证可信的人的公钥？
• 根证书是证书链的尽头
• 验证的一连串证书称为证书链
• 分发证书、验证证书的基础设施称为 PKI,Public Key Infrastructure
• 所以想要实现身份验证，通信双方需要先有秘密信息，即根证书中的公钥

网络安全：HTTPS

• 把HTTP的明文换成密文，再验证身份，即HTTPS
• HTTPS = HTTP + TLS
• TLS=身份验证+加解密
• 身份验证靠 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