计算机系统结构

顽强拼搏
89 阅读10分钟

前言&课程介绍

课程目标和收益

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)有初步的理解。进而可以在后续的实际工作中能高效解决网络问题。

课程介绍

这节课会：

  • 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
  • 了解网络安全的最基本原则

这节课不会：

  • 详细描述如何开发一个基于HTTP协议（或者其他协议)的网络应用
  • 深入介绍课程中所涉及协议的规范(Specification)内容和实现细节

分析方法

自底向上

  • 从简单开始，逐渐变复杂
  • 将模块逐步拼凑成一个系统

自顶向下

  • 从复杂开始，逐渐变简单
  • 从复杂的系统问题入手，拆分为模块问题

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

  • 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

电路交换&分组交换

网络分层

  • 快递员不关心包裹内容
  • 卡车司机不关心车厢里拉的是什么
  • 高速公路不关心开的什么车

协议

协议的存在依赖于连接。

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协议定义了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。

标头和载荷

收件人、寄件人关注：

  • 收件地址、寄件地址
  • 收件人、寄件人的姓名和电话
  • 包裹内容

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快递公司关注：

  • 收件人、寄件人关注的东西
  • 该由哪个集散点发出，哪个集散点收
  • 哪个网点派送

HTTP协议示例

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HTTP协议示例：链路层-本地帧头部

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HTTP协议示例：链路层-IP协议头部

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HTTP协议示例：运输层-TCP协议头部

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HTTP协议示例：应用层-HTTP协议头部

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TCP协议格式

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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：分请职责，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

Web应用

HTTP协议

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HTTP连接模型

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队头堵塞(Head of Line Blocking)

HTTP1.1:无法多路复用
1 //main.js
2 console.log('hello world');

/* style.css */
body {
	color:red;
}

body {
	console.log('hello world');
	color:red;
}

HTTP2:帧
request=style.css,content='body {
request=main.js,content='console.log('hello world')
request=style.css,content='color:red;
request=style.css,content='}'

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（上图）前三个字节：载荷长度

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第四个字节：类型

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第五个字节：类型对应的Flags

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第六到第九字节：第1位：保留位 第2-32位：流ID

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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
  • Server Push

HTTP2:队头堵塞，但是在TCP上
  • TCP包0：包含了（包含了style.css的第1行内容）的HTTP2的帧
  • TCP包1：包含了（包含了main.js的全部内容）的HTTP2的帧
  • TCP包2：包含了（包含了stye.css的第2行内容）的HTTP2的帧
  • TCP包3：包含了（包含了style.css的第3行内容）的HTTP2的帧
  • TCP包1丢包了！

HTTP2:3RTT启动
  • HTTP客户端：我要和大哥说话
  • TCP客户端默默对HTTP客户端说，我知道你很急，但你先别急。
  • TCP客户端：嗨！服务端，你在吗？
  • TCP服务端：海！客户端，我在，你在吗？
  • TLS客户端：Hello!能给我把钥匙吗？
  • TLS服务端：Hello!给！你的钥匙！
  • HTTP客户端：终于到我了，我要index.html!

HTTP 3:QUIC
  • Quick UDP Internet Connection
  • 现存网络设备对TCP和UDP支持已经僵化
  • UDP不靠谱但是QUIC靠谱
  • QUIC可以为除HTTP协议以外的应用层协议提供支持

HTTP 3:QUIC-1 RTT

QUIC第一次访问

  • HTTP客户端：我要和大哥说话！
  • QUC客户端：嗨！服务端，你在吗？在的话能给我把钥匙吗？
  • QUC服务端：嗨！客户端，我在，这是你的钥匙！
  • HTTP客户端：今天这么快？我要index.html!
  • QUC服务端（偷偷地告诉客户端）：这还有把钥匙，下次找我可以不用问，直接用

HTTP:QUIC -0 RTT

QUIC第二次访问

  • HTTP客户端：我要和大哥说话！
  • QUIC客户端：嗨！服务端，你在吗？后面的话我已经用上次你给我的钥匙加密过了，HTTP那小子肯定要index.html!
  • QUIC服务端：嗨！客户端，我在，我知道你要index.html,给你！
  • HTTP客户端：？

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!
  • 和北京到上海比，还快吗？
  • 好像不够？

CDN:你的钱包够鼓吗？

  • 流量多少钱一个G?
  • 1块
  • 那我在北京给上海的人发一部10G电影得10块？
  • 对！
  • 发10次一样的电影要100块？
  • 是的
  • 我都发到上海了，不能内部共享下吗？

CDN:你，够强大吗？

我们有几台服务器？ 1台 他能抗多少流量？ 100G! 双十一峰值得1000G啊，虹得住吗？ 不一定，可能挂…

CDN:最多跳两次！

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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P
  • 用户直接访问最近的CDN服务器

CDN:地主家也没有余粮了

拉策略

  • 默认情况下什么也不做
  • 谁需要了，先看看仓库有没有
  • 有，直接给
  • 没有，你等着，我去买个橘子
  • (每隔几天)这都啥啊，丢了

推策略

  • 大哥说今天你存这些，明天存那些
  • 谁需要了，先看看仓库有没有
  • 有，直接给
  • 没有，你等着，我去买个橘子
  • 大哥说这个、这个还有这个，丢了

WebSocket

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

WebSocket:示例

服务端代码
const { WebSocketserver }require('ws');

const wss new WebSocketserver({port:8080 });

wss.on('connection',function connection(ws) {
       //有新连接时监听来自客户端的消息
       ws.on('message',function message(data) {
         //打印收到的消息，再把消息原封不动地发回给客户端
         console.log('received:%s',data);
         ws.send(data);
       });
});

客户端代码
const WebSocket require('ws');

const ws new WebSocket('ws://localhost:8080');

ws.on('open',function open() {
//当连接建立时，向服务端端发送一条消息
	ws.send('something');
});
ws.on('message',function message(data) {
//当收到来自服务端的消息时，打印出来
	console.log('received:%s',data);
});

WebSocket:升级！

image.png

HTTP响应头

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WebSocket:发送消息

WebSocket客户端消息 image.png

WebSocket服务端消息 image.png

小结
  1. HTTP 1 2 3 的演进历史
  2. CDN解决了HTTP协议之外的问题
  3. WebSocket从HTTP协议升级而来

网络安全

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
  • 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

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？

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

  • 这个请求真的是蟹老板发起的
  • 目标账户和转账金额没有被篡改

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
  • 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

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
  • 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
  • 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
  • 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PKl,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

证书链示例

image.png
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image.png

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
  • PKl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

流程图

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