计算机网络基础

夫琅和费米线
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TCP/IP 网络通常是由上到下分成 4 层，分别是应用层，传输层，网络层和网络接口层。

应用层：HTTP

应用层定义应用进程间的通信规则，不同主机的应用进程间如何相互传递报文

HTTP

HTTP 是超文本传输协议，它定义了客户端和服务器之间交换报文的格式和方式，使用TCP作为传输层协议 HTTP是无状态协议，服务器不保存客户信息 HTTP有非持续连接和持续连接，1.1后建立持续连接，一个TCP连接可以被多个请求复用

HTTP报文

1。 请求报文 //TODO看一个具体的 请求行+首部行+空行+实体主体

  • 空行用来划分首部与实体
  • 请求行：方法+URL+http版本 

GET / HTTP/1.1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)
Accept: */*
  1. 响应报文 状态行 + 首部行+实体主体
  • 状态行：协议版本字段+状态码+状态信息
  • 实体：请求的对象
HTTP/1.0 200 OK   //状态行：协议版本字段+状态码+状态信息
Content-Type: text/plain  
Content-Length: 137582
Expires: Thu, 05 Dec 1997 16:00:00 GMT
Last-Modified: Wed, 5 August 1996 15:55:28 GMT
Server: Apache 0.84

<html>
  <body>Hello World</body>
</html>

200-请求成功、202-服务器端已经收到请求消息，但是尚未进行处理 301-永久移动、302-临时移动、304-所请求的资源未修改、 400-客户端请求的语法错误、404-请求的资源不存在 500-服务器内部错误。

首部行//TODO 解析请求报文

  • 请求首部：Accept 可接收媒体资源的类型、Accept-Charset可接收的字符集、Host 请求的主机名
  • 响应首部：ETag 资源的匹配信息，Location 客户端重定向的 URL
  • 通用首部：通用首部有 Cache-Control 控制缓存策略、Connection 管理持久连接
  • 实体首部：Content-Length 实体主体的大小、Expires 实体主体的过期时间、Last-Modified 资源的最后修 改时间。

http1.0 缺点

  • “列头阻塞”：默认使用了持久连接，同一个 TCP 连接里面，数据请求的通信次序 是固定的。服务器只有处理完一个请求的响应后，才会进行下一个请求的处理

http/2

  • 二进制
    • HTTP/2 是一个二进制协议，头信息和数据体都是二进制，并且统称为"帧"。帧的概念是它实现多路复用的基础。
  • 多路复用
    • HTTP/2 实现了多路复用，HTTP/2 仍然复用 TCP 连接，但是在一个连接里，客户端和服务器都可以同时发送多个请求或回应，而且不用按照顺序一一发送，避免了"队头堵塞"
  • 数据流
    • HTTP/2同一个连接里面连续的数据包可能属于不同请求，通过在数据包发送时标记数据流的ID来区分
  • 头信息压缩
    • http1不带状态，每次都带上所有信息。客户端和服务器同时维护一张头信息表，所有字段都会存入这个表，只发送服务器推送头信息索引号
  • 服务器推送
    • HTTP/2 允许服务器未经请求，主动向客户端发送资源，http2 下服务器主动推送的是静态资源

http/3

https

  • http存在问题：
    • 报文明文发送
    • 可被第三方截获修改内容
    • 存在认证问题

https

https是超文本传输协议，基于http协议，使用TLS/SSL对数据进行加密，防止第三方窃听。 https提供校验机制，信息篡改后双方会立刻发现

TLS/SSL

transport layer

TLS握手

身份验证-》密钥协商-> 加密算法协商

  1. 客户向服务器发起请求，请求包含：协议版本，一个随机数，客户端支持的加密方法
  2. 服务端接受请求，确认加密方法，返回：加密方法，服务器证书，一个随机数
  3. 客户端确认服务器证书有效，发送：新的随机数（用服务器证书里的公钥加密），前面内容的hash值
  4. 服务器用私钥解密随机数，提供hash值给客户端校验
  5. 客户端和服务器使用三个随机数生成对话密钥，以后用于对称加密对话信息；对话密钥通过各自的私钥解密

SSL恢复

  • sessionID恢复：每一次对话都有一个编号（session ID）。如果对话中断，下次重连的时候，只要客户端给出这个编号，且服务器有这个编号的记录，双方就可以重新使用已有的"对话密钥"。session ID往往只保留在一台服务器上。所以，如果客户端的请求发到另一台服务器，就无法恢复对话。
  • 客户端发送服务器在上一次对话中发送过来的session ticket，session ticket是加密的，只有服务器才能解密。

DNS协议，域名系统

DNS(Domain Name System) 协议提供的是一种主机名到 IP 地址的转换服务。域名系统是由分层的DNS服务器组成的分布式数据库，DNS定义了主机查询这个数据库的方式

域名结构

根据域名的层级结构，管理不同层级域名的服务器

主机名.次级域名.顶级域名.根域名
host.sld.tld.root

有域名的起点都是根域名，写作一个点.，放在域名的结尾,通常省略不写

DNS查询：由域名查询IP地址

www.baidu.com

  1. 发送DNS请求到本地DNS服务器，本地判断是否有该域名的缓存，存在则直接返回
  2. 不存在缓存，服务器则从根域名服务器查到根域名(.)的顶级域名(.com)服务器的NS地址和IP地址
  3. 顶级查到次级/一级域名(baidu)的权威域名服务器IP地址列表，向其中一个列表发送请求

我们向本地 DNS 服务器发送请求的方式是递归查询，本地DNS服务器向其他域名服务器请求是迭代查询 图示：

image.png

传输层：TCP

image.png 传输层协议为不同主机上的不同进程间提供了逻辑通信的功能，为应用层提供网络支撑。传输层只工作在端系统中。

传输层TCP

transmission control protocol TCP是面向连接的、提供可靠数据服务的传输层协议

传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），就会将数据分成TCP段，中途有分块丢失只需重新发送一个分块

  • 端口：传输层对应用接受和传输数据通道的独立标识。对于浏览器（客户端）中的每个标签栏都是一个独立的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端口号。
  • 传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用

TCP报文

  1. 源端口号，目标端口号
  2. 数据包序号
  3. 确认序列号：确认对方收到(ack+1)
  4. 状态位：SYN，ACK，RST，FIN。TCP 是面向连接的，因而双方要维护连接的状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方的状态变更
  5. 窗口大小：用于做流量控制

三次握手的过程

  1. 客户端、服务端处于CLOSE状态 -> 服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态
  2. 客户端主动发起连接SYN，之后处于SYN-SET状态
  3. 服务端收到后，并且ACK客户端的SYN，并返回，之后处于SYN-RCVD
  4. 客户端收到SYN和ACK后，为连接分配缓存，发送对SYN确认的ACK，之后处于ESTABLISHED状态
  5. 服务端收到SYN和ACK后，进入EATABLISHED状态

为什么三次？

三次握手中双方都一发一收，TCP的可靠连接是靠seq（序列号）达成的，三次中，保证双方都会有一次发送自己的、确认对方的序列号

  1. A发送seqA
  2. B收到seqA，发送ackA(seqA+1)，seqB
  3. A收到ackA，seqB，发送ackB(seqB+1)

特点

  1. 面向连接：通信前，双方进行三次握手建立连接
  2. 通过校验机制提供可靠的数据传输
  3. 点对点服务：TCP是单个发送方和单个接收方之间的连接
  4. 全双工服务：通信双方都能收发消息
  5. 拥塞控制机制：在网络堵塞时TCP会控制发送数据的速率
  6. 流量控制机制：通信双方发送和接受的数据相同，避免缓存填满造成数据包丢失
  • 报文结构：首部+数据

网络层：IP协议

internet protocol

IP协议是网络层协议，负责将数据从一个设备传输到另一个设备，设备用IP地址编号

  • IP地址：网络号+子网掩码

    • 网络号：标识IP地址数据哪个子网
    • 主机号：标识同一子网下的不同主机

  • 将IP地址和子网掩码进行按位与运算，得到网络号

  • 将子网掩码取反后，和IP地址进行按位与运算，得到主机号

IP协议将传输层报文作为数据部分，加上IP包头组装成IP报文 寻址过程中，先寻找网络号，然后由路由寻找主机

IP包头 源地址IP和目标服务器IP 协议号：06，标识为TCP

image.png

网络接口层：ARP协议，mac地址

网络接口层为网络层提供链路级别的传输服务，负责在底层网络上发送数据包，使用MAC地址来标识网络上的设备

网络接口层在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上 MAC头部包含了接收方和发送方的mac地址信息（通过ARP协议获得），用于以太网进行寻址

MAC包头 发送方MAC地址，接收方MAC地址

image.png

网路接口层单位是帧，网络层是包，TCP是段，HTTP是消息/报文

从键入URL到网页显示

当用户在浏览器输入URL后，首先触发DNS协议解析域名获取服务器IP。DNS查询通过UDP发起，经过递归查询最终返回IP地址。 浏览器随即通过TCP三次握手与目标IP的80端口建立连接。 TCP连接建立后，HTTP协议生成GET请求报文，经TCP分段、添加序列号等处理后，由IP协议封装成数据包进行路由转发。 服务器响应HTML内容通过TCP可靠传输回到客户端，浏览器渲染页面。 应用层(HTTP/DNS)→传输层(TCP)→网络层(IP)。

  1. 浏览器解析URL www.server.com/目录名/file.ht…... http: 访问数据的协议 //后：web服务器名称 /后：数据源（文件）的路径名

当没有路径名时，就访问根目录下设置的默认文件 image.png

  1. 浏览器根据解析的信息生成http请求(报文)

image.png

  1. DNS解析服务器域名对应IP 首先发送给本地DNS服务器（客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址），本地DNS服务器查询缓存，有则直接返回，无则递归查询根域服务器-> 顶层域名 -> 权威DNS服务器 -> 最终IP

  2. 通过ARP协议获取目标IP地址的MAC地址

如果本地ARP缓存中有IP对应mac，则使用；没有，ARP在以太网中以广播的形式向所有的设备查询IP地址对应的MAC地址

image.png 6. 浏览器委托操作系统协议栈通过三次握手与端口建立TCP连接

应用程序调用Socket库委托操作系统的协议栈工作

协议栈TCP，UDP负责接受应用层的委托执行收发数据的操作 协议栈IP控制网络包收发操作

HTTP 是基于 TCP 协议传输的，浏览器通过三次握手与目标IP的端口建立连接

image.png

  1. 如果是HTTPS，通过四次挥手建立TLS连接

  2. 网卡将网络包转为电信号，通过网线发送

  3. 交换机根据MAC地址查找端口，发送给路由器；路由器查询路由表，根据IP头部将包转发到服务器

  4. 服务器查询确认数据包的MAC地址、IP地址、TCP序列号、端口号，将包发送给对应的HTTP进程，返回请求的数据

  5. 客户端向服务器发起TCP四次挥手，双方断开连接

image.png

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