网络结构、网络协议和网络分层

首先，我们可以通过借用蟹堡王的比喻来理解网络结构的目的。

以外卖为例，我们需要知道谁要吃外卖、吃什么以及送到哪里去。在网络中，我们有以下角色和概念：

顾客：客户端 分店：服务端 转发分店：路由器 转发表格：网络协议 整体的网络结构如下： 服务器 -> 企业路由器 -> ISP 路由器 -> 家庭路由器 -> 终端

此外，根据网络规模的不同，我们可以将比奇堡、几个分店和全国通信分别比作网络的局域网、城域网和广域网。而电路交换和分组交换则可以类比电话和传真。

接下来，我们将使用快递体系来比喻网络协议的分层。

网络分层的结构如下：

应用层（快递员） 传输层（卡车） 网络层（高速公路） 链路层 物理层 协议定义了通信实体之间交换的报文格式、顺序以及报文发送和接收后的动作。报文主要由标头和载荷组成。在应用层，寄件人和收件人关注寄件和收件地址以及相关信息；而在网络层，快递公司还需要关注中间的集散地。

下面是一些报文的展示：

链路层帧（frame）：介质、源地址、目标地址（可能还包括协议类型） IP 分组（packet）：协议版本、源 IP 地址、目标 IP 地址、载荷长度、下一个协议（可能还包括其他字段） TCP 报文段（segment）：源端口号、目标端口号、序列号（seq）、确认序号（ack，通常为 seq+1）、头部长度、窗口大小 HTTP 报文（message）：请求方法、路径、协议版本、请求头（可能还包括其他字段）

此外，还有 TCP 报文的结构，但这里我们不展开详细介绍。

在网络协议的发展过程中，出现了 HTTP 1.0、HTTP 1.1、HTTP 2.0 和 HTTP 3.0。

HTTP 协议的基本报文结构如下：

请求：

请求行：方法、路径、协议版本 请求头/空行 请求体 响应：

响应行：协议版本、状态码 响应头/空行 响应体 针对 HTTP 的发展，出现了一些问题：

短连接浪费：在 HTTP 1.0 中，每次请求都需要建立一个新的连接，造成了连接的频繁建立和关闭，浪费了资源。为了解决这个问题，HTTP 1.1 引入了默认的长连接，不需要在每个请求之后关闭连接，而是可以在一个连接上发送多个请求和接收多个响应，提高了效率，减少了资源消耗。

队头堵塞：在 HTTP 1.x 版本中，存在队头堵塞的问题。当一个请求在传输过程中遇到延迟或阻塞时，后续的请求也必须等待，导致了性能下降。为了解决这个问题，HTTP 2.0 引入了帧的概念，实现了一条 TCP 连接上的多路复用，可以同时发送和接收多个请求和响应，提高了并发性能。此外，HTTP 2.0 还引入了头部压缩和服务端推送等特性，进一步优化了性能和效率。

TCP 自身的队头堵塞问题：在传输层，TCP 本身也存在队头堵塞的问题。当一个数据包丢失或延迟时，后续的数据包都必须等待，造成了延迟和性能问题。为了解决这个问题，引入了QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议，它融合了 TCP 和 TLS，通过使用 UDP 协议传输数据，并采用更灵活的连接管理和错误恢复机制，从而降低了延迟和提高了性能。QUIC 的握手过程只需要一次往返时间（1-RTT），并且支持零往返时间（0-RTT）重连。

CDN 运行原理：

CDN（内容分发网络）旨在减轻服务器的负载并降低延迟。其工作原理如下：

DNS 解析：当用户请求访问某个资源时，首先进行 DNS 解析。如果解析发现该资源可以通过 CDN 服务提供，那么会将解析请求交给专门的 CDN DNS 服务器处理，并返回适合负载和位置的 CDN 服务器的 IP 地址。

内容缓存和分发：当用户发送请求到 CDN 服务器时，CDN 服务器会根据用户的位置选择最近的节点，从缓存中获取请求的资源。如果缓存中不存在，CDN 服务器会通过一定的策略（如拉策略或推策略）从源服务器获取资源，并将其缓存在节点上，以便下次请求时可以直接从节点获取，提高访问速度。

WebSocket：

WebSocket 是一种有状态的持久连接协议，它允许在客户端和服务器之间建立双向通信，实现实时数据传输和服务器主动推送数据的能力。以下是关于 WebSocket 的一些特点和用法：

与 HTTP 的关系：WebSocket 是通过 HTTP 升级而来的协议。在建立 WebSocket 连接之前，客户端会发送一个特殊的 HTTP 请求，请求头包含了协议升级的信息。服务器如果同意升级，就会返回状态码 101 Switching Protocols，并进行协议切换，从而建立 WebSocket 连接。

持久连接：与传统的 HTTP 请求-响应模式不同，WebSocket 连接是一种持久连接，不需要为每个请求都建立新的连接，减少了连接建立和关闭的开销。

双向通信：WebSocket 支持双向通信，客户端和服务器可以随时发送消息给对方。这使得服务器可以实时向客户端推送数据，而不需要客户端发起请求。

低延迟：由于建立了持久连接，WebSocket 可以实现实时的数据传输，对于需要频繁通信和实时更新的应用场景非常有用，如聊天应用、实时游戏等。

协议独立性：WebSocket 是一种独立于应用层协议的传输协议，可以在多种应用层协议上使用，如 HTTP、HTTPS 等。

安全性：WebSocket 支持加密传输，可以通过使用 SSL/TLS（Secure Sockets Layer/Transport Layer Security）协议来保证数据的安全性。

网络安全（HTTPS/SSL/TLS）：

网络安全的三个主要要素是机密性、完整性和身份验证。

机密性：机密性保证数据在传输过程中的保密性，防止被未授权的人窃听和解读。HTTPS 是一种基于 SSL/TLS 的加密协议，它使用公钥和私钥来加密和解密数据，确保传输过程中的机密性。

完整性：完整性确保数据在传输过程中的完整性和未被篡改。密码散列函数（哈希函数、摘要函数）是一种常用的保证完整性的机制，它将任意长度的输入数据转换为固定长度的哈希值，即使输入数据发生微小的变化，哈希值也会产生显著的变化。

身份验证：身份验证用于确认通信双方的身份和确保数据的来源可信。数字签名是一种常见的身份验证机制，它使用私钥对明文内容的哈希值进行加密，生成数字签名。服务器将自己的信息和公钥登记到证书颁发机构（CA），CA 会颁发带有数字签名的公钥证书。客户端在接收到服务器的公钥证书后，使用植入浏览器的 CA 公钥对数字签名进行解密，并与生成的哈希值进行比对，从而验证证书的真实性和完整性。这样，客户端就可以使用服务器的公钥进行加密，安全地发送协商密钥等信息给服务器。

总结：

网络结构、网络协议和网络分层是构成计算机网络的重要概念。

网络结构通过比喻蟹堡王的外卖流程和转发分店的角色，解释了服务器、路由器和终端之间的关系和通信方式。

网络分层利用快递体系的比喻，将应用层、传输层、网络层、链路层和物理层归类，并介绍了各层的报文格式和功能。

HTTP 协议的发展从 HTTP 1.0 到 HTTP 3.0，通过详细描述了请求和响应的报文结构，以及每个版本引入的改进和解决的问题。

CDN 的运行原理包括 DNS 解析、内容缓存和分发，通过选择最近的节点和拷贝策略来减轻服务器压力和降低延迟。

WebSocket 是一种有状态的持久连接协议，支持双向通信和低延迟传输，可以通过 HTTP 升级实现连接，并可以在多个应用层协议上使用。

网络安全涉及 HTTPS、SSL 和 TLS，其中 HTTPS 通过加密保证机密性，密码散列函数确保完整性，数字签名用于身份验证，以确保安全的通信和数据传输。

这些概念和技术都是计算机网络中非常重要的部分，对于理解和构建网络系统至关重要。