计算机网络概论 | 青训营笔记

evosoon
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网络结构

ISP Internet service provider 网络服务提供商

网络组成部分

  • 主机 （ 客户端 服务端 ） ： 接收或提供信息
  • 路由器 ： 转发主机之间的信息
  • 网络协议 ： 定义统一格式，方便路由器和主机编码和解码

计算机网络分类

计算机网络可以按照分布范围划分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。

局域网（LAN）： 就是老师课程中说的区域网，是指在较小的地理区域内，如办公室、实验室或家庭内建立的计算机网络。局域网通常使用广播技术来传输数据。

城域网（MAN）是指若干个局域网互相连接而成，适合于大都市的较大规模的计算机网络。

广域网（WAN）是指涉及几个城市、一个国家、各个国家之间的计算机网络。互联网就是一个广域网的例子。

信息交换方式

  • 电路交换：在通信双方之间建立一条专用的物理链路，并在整个通信过程中一直占用这条链路。这种方式的优点是通信质量稳定，缺点是建立连接需要一定时间，且线路利用率低

  • 分组交换：：将数据分成若干个数据包，每个数据包独立传输。这种方式的优点是线路利用率高，缺点是通信质量不稳定，可能会出现延迟、丢包等问题。（报文）

网络分层（分清职责）

  • 物理层：负责定义物理设备标准，如电缆的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。

  • 数据链路层：负责在两个相邻节点之间传输数据帧，以及检测并纠正数据传输过程中的错误。

  • 网络层：负责为数据包选择路由，以及处理拥塞控制。

  • 传输层：负责提供端到端的可靠传输，以及流量控制。

  • 会话层：负责建立、管理和终止会话。

  • 表示层：负责数据格式转换、数据加密和解密等。

  • 应用层：负责为应用程序提供网络服务。

TCP/IP四层模型是互联网使用最广泛的一种网络模型，它将计算机网络分为网络接口层、网际层、传输层和应用层四个层次。

  • 网络接口层：相当于OSI模型中的物理层和数据链路层，负责定义物理设备标准和在两个相邻节点之间传输数据帧。
  • 网际层：相当于OSI模型中的网络层，负责为数据包选择路由和处理拥塞控制。
  • 传输层：与OSI模型中的传输层相同，负责提供端到端的可靠传输和流量控制。
  • 应用层：相当于OSI模型中的会话层、表示层和应用层，负责建立会话、数据格式转换和为应用程序提供网络服务。

image.png

网络协议 - 标头和载荷

在计算机网络中，数据包通常由标头和载荷两部分组成。标头包含了用于传输数据包的控制信息，如源地址、目的地址、序号、校验和等。而载荷则是数据包中实际传输的数据部分。类比于快递单号信息

协议的存在依赖于连接。

网络协议定义了标头和载荷的格式和顺序，以便在计算机网络中正确地传输和接收数据包。例如，在 TCP 协议中，标头包含了源端口、目的端口、序号、确认号等信息，而载荷则是 TCP 数据段中实际传输的数据。

1、下面是http协议报文的例子，帮助大家理解。

HTTP 协议是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议，它定义了客户端和服务器之间的通信格式。HTTP 协议分为请求和响应两个部分，每个部分都包含标头和正文两个部分。

使用 GET 方法来传递数据的 HTTP 请求示例：

makefile
复制代码
GET /hello.txt HTTP/1.1
User-Agent: curl/7.16.3 libcurl/7.16.3 OpenSSL/0.9.7l zlib/1.2.3
Host: www.example.com
Accept-Language: en, mi

在这个示例中，第一行是请求行，它包含了请求方法（GET）、请求资源的路径（/hello.txt）和 HTTP 协议版本（HTTP/1.1）。接下来的几行是请求头部，它包含了一些用于控制请求的信息，如 User-Agent、Host 和 Accept-Language 等。最后，请求正文为空。

2、再补充一下TCP报文的格式和一些关键字段的解释

img

  • 源端口和目的端口 各占两个字节，TCP的分用功能也是通过端口实现的。
  • 序号 占4个字节，范围是[0,232],TCP是面向字节流的，每个字节都是按顺序编号。例如一个报文段，序号字段是201，携带数据长度是100，那么第一个数据的序号就是201，最后一个就是300。当达到最大范围，又从0开始。
  • 确认号 占4个字节，是期望收到对方下一个报文段的第一个字节的序号。若确认号=N,则表示序号N前所有的数据已经正确收到了。
  • 数据偏移 占4位，表示报文段的数据部分的起始位置，距离整个报文段的起始位置的距离。间接的指出首部的长度。
  • 保留 占6位，保留使用，目前为0.
  • URG（紧急） 当URG=1,表明紧急指针字段有效，该报文段有紧急数据，应尽快发送。
  • ACK(确认) 仅当ACK=1时，确认号才有效，连接建立后，所有的报文段ACK都为1。
  • PSH(推送) 接收方接收到PSH=1的报文段，会尽快交付接收应用经常，不再等待整个缓存填满再交付。实际较少使用。
  • RST(复位) RST=1时，表明TCP连接中出现严重差错，必须是否连接，再重连。
  • SYN(同步) 在建立连接时用来同步序号。当SYN=1,ACK=0，则表明是一个连接请求报文段。SYN=1,ACK=1则表示对方同意连接。TCP建立连接用到。
  • FIN(终止) 用来释放一个连接窗口。当FIN=1时，表明此报文段的发送方不再发送数据，请求释放单向连接。TCP断开连接用到。
  • 窗口 占2个字节，表示发送方自己的接收窗口，窗口值用来告诉对方允许发送的数据量。
  • 校验和 占2字节，检验和字段查验范围包括首部和数据部分。
  • 紧急指针 占2字节，URG=1时，紧急指针指出本报文段中的紧急数据的字节数（紧急字节数结束后为普通字节）。
  • 选项 长度可变，最长可达40字节。例如最大报文段长度MSS。MSS指的是数据部分的长度而不是整个TCP报文段长度，MSS默认为536字节长。窗口扩大，时间戳选项等

3、UDP的报文以及UDP与TCP的区别

UDP的报文：

img

二者的区别

1. 连接

  • TCP 是面向连接的传输层协议，传输数据前先要建立连接。TCP 面向字节流
  • UDP 是不需要连接，即刻传输数据。面向报文。

2. 服务对象

  • TCP 是一对一的两点服务，即一条连接只有两个端点。
  • UDP 支持一对一、一对多、多对多的交互通信

3. 可靠性

  • TCP 是可靠交付数据的，数据可以无差错、不丢失、不重复、按需到达。
  • UDP 是尽最大努力交付，不保证可靠交付数据。

4. 拥塞控制、流量控制

  • TCP 有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。
  • UDP 则没有，即使网络非常拥堵了，也不会影响 UDP 的发送速率。

5. 首部开销

  • TCP 首部长度较长，会有一定的开销，首部在没有使用「选项」字段时是 20 个字节，如果使用了「选项」字段则会变长的。
  • UDP 首部只有 8 个字节，并且是固定不变的，开销较小。

6. 传输方式

  • TCP 是流式传输，没有边界，但保证顺序和可靠。
  • UDP 是一个包一个包的发送，是有边界的，但可能会丢包和乱序。

7. 分片不同

  • TCP 的数据大小如果大于 MSS 大小，则会在传输层进行分片，目标主机收到后，也同样在传输层组装 TCP 数据包，如果中途丢失了一个分片，只需要传输丢失的这个分片。
  • UDP 的数据大小如果大于 MTU 大小，则会在 IP 层进行分片，目标主机收到后，在 IP 层组装完数据，接着再传给传输层。

TCP / UDP

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HTTP1 / HTTP2 / HTTP3（QUIC）

请求头： 请求方法 路径 协议版本

响应头： 协议版本 状态码

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HTTP1 HTTP1.1

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HTTP1.1 缺点：无法多路复用。

HTTP2

使用帧传输。 好处：多路复用、解决队头堵塞、调整相应传输的优先级、头部压缩、Server Push。

帧的格式： image.png

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HTTP3 QUIC

Quick UDP internet connection。（丢包重传、顺序发送）

出现的原因：因为HTTP2不够快。

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。

image.png

同一个客户端再次请求时：

image.png

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。

由HTTP协议升级而来，在建立HTTP连接之后，再协商使用Websocket进行通信。

CDN

CDN解决HTTP协议之外的问题。

HTTP3再快，也有无法突破的物理极限、重复发送同一数据、只有一台服务器流量如何承载。

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。

每隔一段时间，会清除一部分数据。

拉策略：现场去获取数据。 推策略：先存着，用的时候直接发。 image.png

安全（SSL / TLS / 基础密码学）

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

加密方式：

  • 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

完整性和身份验证（数字签名）。

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。

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。

查看路径：【🔒】→【连接是安全的】→【证书有效】

image.png

HTTPS

HTTPS = HTTP + TLS

TLS = 身份验证 + 加解密

服务端身份验证靠 PKI，客户端身份验证靠HTTP协议。

起初HTTP在传输数据时使用的是明文，是不安全的。为了解决这个隐患，网景（Netscap）公司推出了SSL。而越来越多的人也开始使用HTTPS（HTTP+SSL）。

SSL（Secure Socket Layer）安全套接层是Netscape公司率先采用的网络安全协议。它是在传输通信协议（TCP/IP）上实现的一种安全协议，采用公开密钥技术。SSL广泛支持各种类型的网络，同时提供三种基本的安全服务，它们都使用公开密钥技术。 SSL(Secure Socket Layer 安全套接层)是TCP/IP协议中基于HTTP之下，TCP之上的一个可选协议层。

HTTPS的推出受到了很多人的欢迎，在SSL更新到3.0时， 互联网工程任务组（IETF）对SSL3.0进行了标准化，并添加了少数机制，并将其更名为TLS1.0(Transport Layer Security 安全传输层协议。

END

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