计算机网络总结_被动路由器碰到主动分组-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jaredray/article/details/124572588

1.OSI 和 TCP/IP网络分层模型

1.1 OSI七层模型

OSI 七层模型是国际标准化组织提出一个网络分层模型，其大体结构以及每一层提供的功能如下图所示
在这里插入图片描述
每一层都专注做一件事情，并且每一层都需要使用下一层提供的功能比如传输层需要使用网络层提供的路由和寻址功能，这样传输层才知道把数据传输到哪里去。

OSI 的七层体系结构概念清楚，理论也很完整，但是它比较复杂而且不实用，而且有些功能在多个层中重复出现。

1.2 TCP/IP 四层模型

TCP/IP 四层模型是目前被广泛采用的一种模型,我们可以将 TCP / IP 模型看作是 OSI 七层模型的精简版本，由以下 4 层组成：

应用层
传输层
网络层
网络接口层

2. 应用层

应用层位于传输层之上，主要提供两个终端设备上的应用程序之间信息交换的服务，它定义了信息交换的格式，消息会交给下一层传输层来传输。 我们把应用层交互的数据单元称为报文。应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

在这里插入图片描述
应用层协议定义了网络通信规则，对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，如支持 Web 应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议等等。

在这里插入图片描述

2.1 HTTP：超文本传输协议

HTTP：超文本传输协议，主要是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的。当我们使用浏览器浏览网页的时候，我们网页就是通过 HTTP 请求进行加载的，整个过程如下图所示。
在这里插入图片描述
HTTP 协议是基于 TCP协议，发送 HTTP 请求之前首先要建立 TCP 连接也就是要经历 3 次握手。目前使用的 HTTP 协议大部分都是 1.1。在 1.1 的协议里面，默认是开启了 Keep-Alive 的，这样的话建立的连接就可以在多次请求中被复用了。

另外， HTTP 协议是”无状态”的协议，它无法记录客户端用户的状态，一般我们都是通过 Session 来记录客户端用户的状态。

2.2 SMTP：简单邮件传输（发送）协议

SMTP：简单邮件传输（发送）协议，基于 TCP 协议，用来发送电子邮件。
注意⚠️：接受邮件的协议不是 SMTP 而是 POP3 协议。

电子邮件的发送过程？
比如我的邮箱是“dabai@cszhinan.com”，我要向“xiaoma@qq.com”发送邮件，整个过程可以简单分为下面几步：

通过 SMTP 协议，我将我写好的邮件交给163邮箱服务器（邮局）。
163邮箱服务器发现我发送的邮箱是qq邮箱，然后它使用 SMTP协议将我的邮件转发到 qq邮箱服务器。
qq邮箱服务器接收邮件之后就通知邮箱为“xiaoma@qq.com”的用户来收邮件，然后用户就通过 POP3/IMAP 协议将邮件取出。

如何判断邮箱是真正存在的？
利用SMTP协议来检测：

查找邮箱域名对应的 SMTP 服务器地址
尝试与服务器建立连接
连接成功后尝试向需要验证的邮箱发送邮件
根据返回结果判定邮箱地址的真实性

2.3 POP3/IMAP：邮件接收的协议

这两个协议没必要多做阐述，只需要了解 POP3 和 IMAP 两者都是负责邮件接收的协议即可。另外，需要注意不要将这两者和 SMTP 协议搞混淆了。SMTP 协议只负责邮件的发送，真正负责接收的协议是POP3/IMAP。

2.4 FTP:文件传输协议

FTP 协议主要提供文件传输服务，基于 TCP 实现可靠的传输。使用 FTP 传输文件的好处是可以屏蔽操作系统和文件存储方式。

FTP 是基于客户—服务器（C/S）模型而设计的，在客户端与 FTP 服务器之间建立两个连接。FTP 的独特的优势同时也是与其它客户服务器程序最大的不同点就在于它在两台通信的主机之间使用了两条 TCP 连接（其它客户服务器应用程序一般只有一条 TCP 连接）：

控制连接：用于传送控制信息（命令和响应）
数据连接：用于数据传送；

这种将命令和数据分开传送的思想大大提高了 FTP 的效率。

在这里插入图片描述

2.5 Telnet：远程登陆协议

Telnet 协议通过一个终端登陆到其他服务器，建立在可靠的传输协议 TCP 之上。Telnet 协议的最大缺点之一是所有数据（包括用户名和密码）均以明文形式发送，这有潜在的安全风险。这就是为什么如今很少使用Telnet并被一种称为SSH的非常安全的协议所取代的主要原因。

2.6 SSH：安全的网络传输协议

SSH（ Secure Shell）是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。SSH 建立在可靠的传输协议 TCP 之上。

Telnet 和 SSH 之间的主要区别在于 SSH 协议会对传输的数据进行加密保证数据安全性。

3. 传输层

传输层的主要任务就是负责向两台终端设备进程之间的通信提供通用的数据传输服务。 应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的”是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。

传输层主要有以下两种协议：

传输控制协议 TCP（Transmisson Control Protocol）–面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 相比 UDP 多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。
用户数据协议 UDP（User Datagram Protocol）–提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）,只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以，不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议，也不是一件简单的事情。

应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment)。

当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。

由于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。

3.1 TCP

3.1.1 TCP是什么

TCP 是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

面向连接：一定是「一对一」才能连接，不能像 UDP 协议可以一个主机同时向多个主机发送消息，也就是一对多是无法做到的；
可靠的：无论的网络链路中出现了怎样的链路变化，TCP 都可以保证一个报文一定能够到达接收端；
字节流：用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统「分组」成多个的 TCP 报文，如果接收方的程序如果不知道「消息的边界」，是无法读出一个有效的用户消息的。并且 TCP 报文是「有序的」，当「前一个」TCP 报文没有收到的时候，即使它先收到了后面的 TCP 报文，那么也不能扔给应用层去处理，同时对「重复」的 TCP 报文会自动丢弃。

3.1.2 TCP连接

TCP连接：用于保证可靠性和流量控制维护的某些状态信息，这些信息的组合，包括Socket、序列号和窗口大小称为连接。

建立一个 TCP 连接是需要客户端与服务器端达成上述三个信息的共识。

Socket：由 IP 地址和端口号组成
序列号：用来解决乱序问题等
窗口大小：用来做流量控制

TCP 四元组可以唯一的确定一个连接，四元组包括如下：源地址、源端口、目的地址、目的端口

4. 网络层

我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层（Internet Layer）。

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 在发送数据时，网络层把传输
层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报，简称数据报。

网络层的还有一个任务就是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能通过网络层中的路由器找到目的主机。

互联网是由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议（Intert Prococol）和许多路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP 层。
在这里插入图片描述

网络层最常使用的是 IP 协议（Internet Protocol），IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过 MTU（以太网中一般为 1500 字节）就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的 IP 报文

4.1 IP地址

我们一般用 IP 地址给设备进行编号，对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段（比如，192.168.100.1），每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配？这显然不科学。因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

一个是网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；
一个是主机号，负责标识同一「子网」下的不同主机；

需要配合子网掩码才能算出 IP 地址的网络号和主机号。

举个例子，比如 10.100.122.0/24，后面的/24表示就是 255.255.255.0 子网掩码，255.255.255.0 二进制是「11111111-11111111-11111111-00000000」，大家数数一共多少个1？不用数了，是 24 个1，为了简化子网掩码的表示，用/24代替255.255.255.0。

知道了子网掩码，该怎么计算出网络地址和主机地址呢？
将 10.100.122.2 和 255.255.255.0 进行按位与运算，就可以得到网络号，如图。
在这里插入图片描述
除了寻址能力， IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。

路由器寻址工作中，就是要找到目标地址的子网，找到后进而把数据包转发给对应的网络内。IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

5. 网络接口层

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层（Link Layer）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。

我们可以把网络接口层看作是数据链路层和物理层的合体。

数据链路层(data link layer)通常简称为链路层（两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的）。数据链路层的作用是将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。
物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。

在这里插入图片描述
IP 头部中的接收方 IP 地址表示网络包的目的地，通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里，但在以太网的世界中，这个思路是行不通的。

什么是以太网呢？电脑上的以太网接口，Wi-Fi接口，以太网交换机、路由器上的千兆，万兆以太网口，还有网线，它们都是以太网的组成部分。以太网就是一种在「局域网」内，把附近的设备连接起来，使它们之间可以进行通讯的技术。

以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同，因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而 MAC 头部就是干这个用的，所以，在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。

MAC 头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息，我们可以通过 ARP 协议获取对方的 MAC 地址。

所以说，网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标识网络上的设备

6.为什么网络需要分层？

各层之间相互独立：各层之间相互独立，各层之间不需要关心其他层是如何实现的，只需要知道自己如何调用下层提供好的功能就可以了（可以简单理解为接口调用）。这个和我们对开发时系统进行分层是一个道理。
提高了整体灵活性 ：每一层都可以使用最适合的技术来实现，你只需要保证你提供的功能以及暴露的接口的规则没有改变就行了。
大问题化小：分层可以将复杂的网络间题分解为许多比较小的、界线比较清晰简单的小问题来处理和解决。这样使得复杂的计算机网络系统变得易于设计，实现和标准化。

7. HTTP 与 HTTPS

7.1 HTTP 协议

HTTP 协议，全称超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol）。顾名思义，HTTP 协议就是用来规范超文本的传输，超文本，也就是网络上的包括文本在内的各式各样的消息，具体来说，主要是来规范浏览器和服务器端的行为的。

并且，HTTP 是一个无状态（stateless）协议，也就是说服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的消息。这其实是一种懒政，有状态协议会更加复杂，需要维护状态（历史信息），而且如果客户或服务器失效，会产生状态的不一致，解决这种不一致的代价更高。

HTTP协议优点：扩展性强、速度快、跨平台支持性好。

HTTP协议通信过程：

HTTP 是应用层协议，它以 TCP（传输层）作为底层协议，默认端口为 80。通信过程主要如下：

服务器在 80 端口等待客户的请求。
浏览器发起到服务器的 TCP 连接（创建套接字 Socket）。
服务器接收来自浏览器的 TCP 连接。
浏览器（HTTP 客户端）与 Web 服务器（HTTP 服务器）交换 HTTP 消息。
关闭 TCP 连接。

7.2 HTTPS 协议

HTTPS 协议（Hyper Text Transfer Protocol Secure），是 HTTP 的加强安全版本。HTTPS 是基于 HTTP 的，也是用 TCP 作为底层协议，并额外使用 SSL/TLS 协议用作加密和安全认证。默认端口号是 443.
HTTPS 协议中，SSL 通道通常使用基于密钥的加密算法，密钥长度通常是 40 比特或 128 比特。

HTTPS协议优点：保密性好、信任度高。

7.3 HTTPS 的核心—SSL/TLS协议及其工作原理

SSL与TLS协议的区别：SSL3.0版本被命名为TLS，二者没有太大的区别。

1.非对称加密

SSL/TLS 的核心要素是非对称加密。非对称加密采用两个密钥——一个公钥，一个私钥。在通信时，私钥仅由解密者保存，公钥由任何一个想与解密者通信的发送者（加密者）所知。

2.对称加密
使用 SSL/TLS 进行通信的双方需要使用非对称加密方案来通信，但是非对称加密设计了较为复杂的数学算法，在实际通信过程中，计算的代价较高，效率太低，因此，SSL/TLS 实际对消息的加密使用的是对称加密。

对称加密的密钥生成代价比公私钥对的生成代价低得多，那么有的人会问了，为什么 SSL/TLS 还需要使用非对称加密呢？因为对称加密的保密性完全依赖于密钥的保密性。在双方通信之前，需要商量一个用于对称加密的密钥。我们知道网络通信的信道是不安全的，传输报文对任何人是可见的，密钥的交换肯定不能直接在网络信道中传输。因此，使用非对称加密，对对称加密的密钥进行加密，保护该密钥不在网络信道中被窃听。这样，通信双方只需要一次非对称加密，交换对称加密的密钥，在之后的信息通信中，使用绝对安全的密钥，对信息进行对称加密，即可保证传输消息的保密性。

7.4 HTTP与HTTPS的区别

1、HTTP 是超文本传输协议，信息是明文传输，存在安全风险的问题。HTTPS 则解决 HTTP 不安全的缺陷，在 TCP 和 HTTP 网络层之间加入了 SSL/TLS 安全协议，使得报文能够加密传输。
2、HTTP 连接建立相对简单， TCP 三次握手之后便可进行 HTTP 的报文传输。而 HTTPS 在 TCP 三次握手之后，还需进行 SSL/TLS 的握手过程，才可进入加密报文传输。
3、HTTP 的端口号是 80，HTTPS 的端口号是 443。
4、HTTPS 协议需要向 CA（证书权威机构）申请数字证书，来保证服务器的身份是可信的。

7.5 HTTPS 解决了 HTTP 的哪些问题？

HTTP 由于是明文传输，所以安全上存在以下三个风险：

窃听风险，比如通信链路上可以获取通信内容，用户号容易没。
篡改风险，比如强制植入垃圾广告，视觉污染，用户眼容易瞎。
冒充风险，比如冒充淘宝网站，用户钱容易没。

HTTPS 是如何解决上面的三个风险的？

混合加密的方式实现信息的机密性，解决了窃听的风险。
摘要算法的方式来实现完整性，它能够为数据生成独一无二的「指纹」，指纹用于校验数据的完整性，解决了篡改的风险。
将服务器公钥放入到数字证书中，解决了冒充的风险。

7.5.1 混合加密

HTTPS 采用的是对称加密和非对称加密结合的「混合加密」方式：
简单来说就是，通过非对称加密建立连接，建立连接之后发送的信息都是对称加密发送的。

在通信建立前采用非对称加密的方式交换「会话秘钥」，后续就不再使用非对称加密。
在通信过程中全部使用对称加密的「会话秘钥」的方式加密明文数据。

采用「混合加密」的方式的原因：

对称加密只使用一个密钥，运算速度快，密钥必须保密，无法做到安全的密钥交换。
非对称加密使用两个密钥：公钥和私钥，公钥可以任意分发而私钥保密，解决了密钥交换问题但速度慢。

7.5.2 摘要算法 + 数字签名

所以非对称加密的用途主要在于通过「私钥加密，公钥解密」的方式，来确认消息的身份，我们常说的数字签名算法，就是用的是这种方式，不过私钥加密内容不是内容本身，而是对内容的哈希值加密。

在这里插入图片描述
流程的不同，意味着目的也不相同：

公钥加密，私钥解密。这个目的是为了保证内容传输的安全，因为被公钥加密的内容，其他人是无法解密的，只有持有私钥的人，才能解密出实际的内容；
私钥加密，公钥解密。这个目的是为了保证消息不会被冒充，因为私钥是不可泄露的，如果公钥能正常解密出私钥加密的内容，就能证明这个消息是来源于持有私钥身份的人发送的。

7.5.3 数字证书

前面我们知道：

可以通过哈希算法来保证消息的完整性；
可以通过数字签名来保证消息的来源可靠性（能确认消息是由持有私钥的一方发送的）；

但是这还远远不够，还缺少身份验证的环节，万一公钥是被伪造的呢？

在计算机中，将服务器公钥放在数字证书（由数字证书认证机构颁发）中，只要证书是可信的，公钥就是可信的。
在这里插入图片描述
通过数字证书的方式保证服务器公钥的身份，解决冒充公私钥的风险。

数字证书签发和验证流程：
在这里插入图片描述
CA 签发证书的过程，如上图左边部分：

首先 CA 会把持有者的公钥、用途、颁发者、有效时间等信息打成一个包，然后对这些信息进行 Hash 计算，得到一个 Hash 值；
然后 CA 会使用自己的私钥将该 Hash 值加密，生成 Certificate Signature，也就是 CA 对证书做了签名；
最后将 Certificate Signature 添加在文件证书上，形成数字证书；

客户端校验服务端的数字证书的过程，如上图右边部分：

首先客户端会使用同样的 Hash 算法获取该证书的 Hash 值 H1；
通常浏览器和操作系统中集成了 CA 的公钥信息，浏览器收到证书后可以使用 CA 的公钥解密 Certificate Signature 内容，得到一个 Hash 值 H2 ；
最后比较 H1 和 H2，如果值相同，则为可信赖的证书，否则则认为证书不可信。

8.HTTP/1.0 与 HTTP/1.1(8.1-8.6)、HTTP/2、HTTP/3对比。

HTTP协议的优点： HTTP 基本的报文格式就是 header + body，头部信息也是 key-value 简单文本的形式，易于理解，降低了学习和使用的门槛；HTTP协议里的各类请求方法、URI/URL、状态码、头字段等每个组成要求都没有被固定死，都允许开发人员自定义和扩充。同时 HTTP 由于是工作在应用层（ OSI 第七层），则它下层可以随意变化；应用广泛和支持跨平台。

HTTP协议的缺点： 无状态、明文传输、不安全。HTTP 的安全问题，可以用 HTTPS 的方式解决，也就是通过引入 SSL/TLS 层，使得在安全上达到了极致。

8.1 连接方式对比

HTTP/1.0 默认使用短连接，也就是说，客户端和服务器每进行一次 HTTP 操作，就建立一次连接，任务结束就中断连接。当客户端浏览器访问的某个 HTML 或其他类型的 Web 页中包含有其他的 Web 资源（如 JavaScript 文件、图像文件、CSS 文件等），每遇到这样一个 Web 资源，浏览器就会重新建立一个TCP连接，这样就会导致有大量的“握手报文”和“挥手报文”占用了带宽。

为了解决 HTTP/1.0 存在的资源浪费的问题， HTTP/1.1 优化为默认长连接模式。采用长连接模式的请求报文会通知服务端：“我向你请求连接，并且连接成功建立后，请不要关闭”。因此，该TCP连接将持续打开，为后续的客户端-服务端的数据交互服务。也就是说在使用长连接的情况下，当一个网页打开完成后，客户端和服务器之间用于传输 HTTP 数据的 TCP 连接不会关闭，客户端再次访问这个服务器时，会继续使用这一条已经建立的连接。

HTTP 协议的长连接和短连接，实质上是 TCP 协议的长连接和短连接。
实现长连接需要客户端和服务端都支持长连接。当然，如果某个 HTTP 长连接超过一定时间没有任何数据交互，服务端就会主动断开这个连接。

8.2 Host头处理

域名系统（DNS）允许多个主机名绑定到同一个IP地址上，但是HTTP/1.0并没有考虑这个问题，假设我们有一个资源URL是http://example1.org/home.html，HTTP/1.0的请求报文中，将会请求的是GET /home.html HTTP/1.0.也就是不会加入主机名。这样的报文送到服务器端，服务器是理解不了客户端想请求的真正网址。

因此，HTTP/1.1在请求头中加入了Host字段。加入Host字段的报文头部将会是:

GET /home.html HTTP/1.1
Host: example1.org

8.3 带宽优化

HTTP/1.1引入了范围请求（range request）机制，以避免带宽的浪费。当客户端想请求一个文件的一部分，或者需要继续下载一个已经下载了部分但被终止的文件，HTTP/1.1可以在请求中加入Range头部，以请求（并只能请求字节型数据）数据的一部分。服务器端可以忽略Range头部，也可以返回若干Range响应。

如果一个响应包含部分数据的话，那么将带有206 (Partial Content)状态码。该状态码的意义在于避免了HTTP/1.0代理缓存错误地把该响应认为是一个完整的数据响应，从而把他当作为一个请求的响应缓存。

8.4 状态码100

HTTP/1.1中新加入了状态码100。该状态码的使用场景为，存在某些较大的文件请求，服务器可能不愿意响应这种请求，此时状态码100可以作为指示请求是否会被正常响应，过程如下图：
在这里插入图片描述

8.5 压缩

许多格式的数据在传输时都会做预压缩处理。数据的压缩可以大幅优化带宽的利用。然而，HTTP/1.0对数据压缩的选项提供的不多，不支持压缩细节的选择，也无法区分端到端（end-to-end）压缩或者是逐跳（hop-by-hop）压缩。

HTTP/1.1则对内容编码（content-codings）和传输编码（transfer-codings）做了区分。内容编码总是端到端的，传输编码总是逐跳的。

HTTP/1.0包含了Content-Encoding头部，对消息进行端到端编码。HTTP/1.1加入了Transfer-Encoding头部，可以对消息进行逐跳传输编码。HTTP/1.1还加入了Accept-Encoding头部，是客户端用来指示他能处理什么样的内容编码

8.6 总结

连接方式 : HTTP 1.0 为短连接，HTTP 1.1 支持长连接。
状态响应码 : HTTP/1.1中新加入了大量的状态码，光是错误响应状态码就新增了24种。比如说，100 (Continue)——在请求大资源前的预热请求，206 (Partial Content)——范围请求的标识码，409 (Conflict)——请求与当前资源的规定冲突，410 (Gone)——资源已被永久转移，而且没有任何已知的转发地址。
支持管道（pipeline）网络传输。只要第一个请求发出去了，不必等其回来，就可以发第二个请求出去，可以减少整体的响应时间。
Host头处理 : HTTP/1.1在请求头中加入了Host字段
缓存处理 : 在 HTTP1.0 中主要使用 header 里的 If-Modified-Since,Expires 来做为缓存判断的标准，HTTP1.1 则引入了更多的缓存控制策略例如 Entity tag，If-Unmodified-Since, If-Match, If-None-Match 等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
带宽优化及网络连接的使用 :HTTP1.0 中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了，并且不支持断点续传功能，HTTP1.1 则在请求头引入了 range 头域，它允许只请求资源的某个部分，即返回码是 206（Partial Content），这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。

8.7 HTTP/2的优化

HTTP/2 协议是基于 HTTPS 的，所以 HTTP/2 的安全性也是有保障的。

那 HTTP/2 相比 HTTP/1.1 性能上的改进：

头部压缩：HTTP/2 会压缩头（Header）如果你同时发出多个请求，他们的头是一样的或是相似的，那么，协议会帮你消除重复的部分。
二进制格式：HTTP/2 不再像 HTTP/1.1 里的纯文本形式的报文，而是全面采用了二进制格式，头信息和数据体都是二进制，并且统称为帧（frame）：头信息帧（Headers Frame）和数据帧（Data Frame）。
并发传输： HTTP/1.1 的实现是基于请求-响应模型的。同一个连接中，HTTP 完成一个事务，才能处理下一个事务，也就是说在发出请求等待响应的过程中，是没办法做其他事情的，如果响应迟迟不来，那么后续的请求是无法发送的，也造成了队头阻塞的问题。HTTP/2 就很牛逼了，引出了 Stream 概念，多个 Stream 复用在一条 TCP 连接。针对不同的 HTTP 请求用独一无二的 Stream ID 来区分，接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息，不同 Stream 的帧是可以乱序发送的，因此可以并发不同的 Stream ，也就是 HTTP/2 可以并行交错地发送请求和响应。
服务器主动推送资源：HTTP/2 还在一定程度上改善了传统的「请求 - 应答」工作模式，服务端不再是被动地响应，可以主动向客户端发送消息。就比如客户端在访问 HTML 时，服务器可以直接主动推送 CSS 文件，减少了消息传递的次数。

8.8 HTTP/3的优化

在HTTP/1.1中虽然解决了请求的队头阻塞，但是没有解决响应的队头阻塞；HTTP/2中通过多个请求复用一个 TCP 连接解决了 HTTP 的队头阻塞，但是一旦发生丢包，就会阻塞住所有的 HTTP 请求，这属于 TCP 层队头阻塞。

所以 HTTP/3 把 HTTP 下层的 TCP 协议改成了 UDP
UDP 发送是不管顺序，也不管丢包的，所以不会出现像 HTTP/2 队头阻塞的问题。大家都知道 UDP 是不可靠传输的，但基于 UDP 的 QUIC 协议 可以实现类似 TCP 的可靠性传输。

主要有以下的优点：
1、无队头阻塞：QUIC 有自己的一套机制可以保证传输的可靠性的。当某个流发生丢包时，只会阻塞这个流，其他流不会受到影响，因此不存在队头阻塞问题。
2、更快的连接建立：HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。
3、连接迁移：基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）确定一条 TCP 连接。当设备的ip更改的时候，就需要重新连接。QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。

9. TCP三次握手和四次挥手的过程

9.1 三次握手

在这里插入图片描述

一开始，客户端和服务端都处于CLOSED状态。先是服务端主动监听某个端口，处于 LISTEN状态。
客户端会随机初始化序号client_isn，将此序号置于 TCP 的「序号」字段中，同时把 SYN 标志位置为 1 ，表示 SYN报文。接着把第一个 SYN 报文发送给服务端，表示向服务端发起连接，该报文不包含应用层数据，之后客户端处于 SYN-SENT状态。
服务端收到客户端的 SYN 报文后，首先服务端也随机初始化自己的序号（server_isn），将此序号填入 TCP 的「序号」字段中，其次把 TCP 首部的「确认应答号」字段填入 client_isn + 1, 接着把 SYN 和 ACK 标志位置为 1。最后把该报文发给客户端，该报文也不包含应用层数据，之后服务端处于 SYN-RCVD 状态。
客户端收到服务端报文后，还要向服务端回应最后一个应答报文，首先该应答报文 TCP 首部 ACK 标志位置为 1 ，其次「确认应答号」字段填入 server_isn + 1 ，最后把报文发送给服务端，这次报文可以携带客户到服务器的数据，之后客户端处于 ESTABLISHED 状态。
服务器收到客户端的应答报文后，也进入 ESTABLISHED 状态。

从上面的过程可以发现第三次握手是可以携带数据的，前两次握手是不可以携带数据的

三次握手的目的是建立可靠的通信信道，说到通讯，简单来说就是数据的发送与接收，而三次握手最主要的目的就是双方确认自己与对方的发送与接收是正常的。

一旦完成三次握手，双方都处于 ESTABLISHED 状态，此时连接就已建立完成，客户端和服务端就可以相互发送数据了。

TCP 建立连接时，通过三次握手能防止历史连接的建立，能减少双方不必要的资源开销，能帮助双方同步初始化序列号。序列号能够保证数据包不重复、不丢弃和按序传输。

9.2 四次挥手

在这里插入图片描述

断开一个 TCP 连接则需要“四次挥手”的过程：

客户端发起 FIN=1 断开连接的报文，携带随机生成的 seq=u，发送给服务端，并且自己处于 FIN-WAIT状态，这是第一次挥手。
服务端接收到 FIN 报文后，回复一个确认报文，其中 ACK = 1，随机生成一个 seq=v，以及 ack=u+1，这是第二次挥手。
当服务端数据发送完了过后，再发送一个 FIN 报文给客户端，通知客户端，服务端准备关闭连接了，此报文 FIN=1，ACK=1，ack=u+1，seq=w，这是第三次挥手。
当客户端收到 FIN 确认报文时再发送一个FIN 的确认报文，其中 ACK = 1，seq = u + 1，ack = w + 1(w为服务端发送报文的序列号)，并进入 TIME-WAIT状态，当等待 2MSL （报文最大生存时间 *2）后关闭连接，这是第四次挥手。

任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知，待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候，则发出连接释放通知，对方确认后就完全关闭了 TCP 连接。

举个例子：A 和 B 打电话，通话即将结束后，A 说“我没啥要说的了”，B 回答“我知道了”，但是 B 可能还会有要说的话，A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话，于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通，最后 B 说“我说完了”，A 回答“知道了”，这样通话才算结束。

9.3 为什么TCP不是两次握手？

三次握手才可以阻止重复历史连接的初始化（主要原因）。如果是两次握手，可能会造成已失效的请求报文在服务端建立了一个历史连接，浪费资源。（假设采用两次握手的连接过程，客户端向服务器发送了一个SYN=100包来请求建立连接，但是可能有某些原因，导致这个SYN包没有发送过去，为了建立连接，客户端会再发一次SYN=200包，这时候之前滞留的SYN=100包会先到达服务器端，此时服务器端就建立起了连接。但是客户端发现之前建立连接的SYN=200，跟建立连接的SYN=100不符，所以会发起一个RST报文中止连接。一段时间后，SYN=200才到达服务器。才正式建立起了连接），在这个过程中，建立了一次错误的连接，耗费了资源。
三次握手才可以同步双方的初始序列号
三次握手才可以避免资源浪费

9.4 为什么TCP不是三次挥手？

如果是三次挥手。那么情况挥手情况就会如下：

第一次挥手：客户端主动请求关闭，表明客户端没有数据发送，但可以接收收据。
第二次挥手：服务器也向客户端发起关闭连接请求，并确认客户端的关闭链接。
第三次挥手：客户端回复ACK确认，双方链接关闭。

那么问题来了，如果在第三次挥手中客户端回复ACK后，服务器的数据还没发完，但只有三挥手，服务器只能选择关闭连接，这样客户端的数据就会不完整，与TCP可靠链接初衷相违背。

10.TCP与UDP协议的区别

在这里插入图片描述
UDP 在传送数据之前不需要先建立连接，远地主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 却是一种最有效的工作方式（一般用于即时通信），比如： QQ 语音、 QQ 视频、直播等等。

TCP 提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。 TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的，面向连接的传输服务（TCP 的可靠体现在 TCP 在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制，在数据传完后，还会断开连接用来节约系统资源），这难以避免增加了许多开销，如确认，流量控制，计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多处理机资源。TCP 一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等场景。

总结：
1、TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
2、TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
3、TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流，有拥塞控制和流量控制机制，保证数据传输的安全性。UDP是面向报文的，U没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低。
4、每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
5、TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节
6、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。

11.TCP协议如何保证可靠传输

应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
TCP 给发送的每一个包进行编号，接收方对数据包进行排序，把有序数据传送给应用层。
校验和： TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
流量控制： TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间，TCP 的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据，能提示发送方降低发送的速率，防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。（TCP 利用滑动窗口实现流量控制）
拥塞控制：当网络拥塞时，减少数据的发送。
ARQ 协议：也是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
超时重传：当 TCP 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。

11.1 ARQ协议（自动重传协议）

自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）是 OSI 模型中数据链路层和传输层的错误纠正协议之一。它通过使用确认和超时这两个机制，在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输。如果发送方在发送后一段时间之内没有收到确认帧，它通常会重新发送。ARQ 包括停止等待 ARQ 协议和连续 ARQ 协议。

11.1.1 停止等待 ARQ 协议

停止等待协议是为了实现可靠传输的，它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送，等待对方确认（回复 ACK）。如果过了一段时间（超时时间后），还是没有收到 ACK 确认，说明没有发送成功，需要重新发送，直到收到确认后再发下一个分组。

在停止等待协议中，若接收方收到重复分组，就丢弃该分组，但同时还要发送确认。

优点：简单；缺点：信道利用率低，等待时间长。

(1)无差错情况:
发送方发送分组, 接收方在规定时间内收到, 并且回复确认. 发送方再次发送。

(2)出现差错情况（超时重传）:
停止等待协议中超时重传是指只要超过一段时间仍然没有收到确认，就重传前面发送过的分组（认为刚才发送过的分组丢失了）。因此每发送完一个分组需要设置一个超时计时器，其重传时间应比数据在分组传输的平均往返时间更长一些。这种自动重传方式常称为 自动重传请求 ARQ 。另外在停止等待协议中若收到重复分组，就丢弃该分组，但同时还要发送确认。连续 ARQ 协议可提高信道利用率。发送维持一个发送窗口，凡位于发送窗口内的分组可连续发送出去，而不需要等待对方确认。接收方一般采用累积确认，对按序到达的最后一个分组发送确认，表明到这个分组位置的所有分组都已经正确收到了。

(3)确认丢失和确认迟到

确认丢失：确认消息在传输过程丢失。当 A 发送 M1 消息，B 收到后，B 向 A 发送了一个 M1 确认消息，但却在传输过程中丢失。而 A 并不知道，在超时计时过后，A 重传 M1 消息，B 再次收到该消息后采取以下两点措施：1. 丢弃这个重复的 M1 消息，不向上层交付。 2. 向 A 发送确认消息。（不会认为已经发送过了，就不再发送。A 能重传，就证明 B 的确认消息丢失）。
确认迟到：确认消息在传输过程中迟到。A 发送 M1 消息，B 收到并发送确认。在超时时间内没有收到确认消息，A 重传 M1 消息，B 仍然收到并继续发送确认消息（B 收到了 2 份 M1）。此时 A 收到了 B 第二次发送的确认消息。接着发送其他数据。过了一会，A 收到了 B 第一次发送的对 M1 的确认消息（A 也收到了 2 份确认消息）。处理如下：1. A 收到重复的确认后，直接丢弃。2. B 收到重复的 M1 后，也直接丢弃重复的 M1。

11.1.2 连续 ARQ 协议

连续 ARQ 协议可提高信道利用率。发送方维持一个发送窗口，凡位于发送窗口内的分组可以连续发送出去，而不需要等待对方确认。接收方一般采用累积确认，对按序到达的最后一个分组发送确认，表明到这个分组为止的所有分组都已经正确收到了。

优点：信道利用率高，容易实现，即使确认丢失，也不必重传；
缺点：不能向发送方反映出接收方已经正确收到的所有分组的信息。比如：发送方发送了 5 条消息，中间第三条丢失（3 号），这时接收方只能对前两个发送确认。发送方无法知道后三个分组的下落，而只好把后三个全部重传一次。这也叫 Go-Back-N（回退 N），表示需要退回来重传已经发送过的 N 个消息。

11.2 滑动窗口和流量控制

**TCP 利用滑动窗口实现流量控制。**流量控制是为了控制发送方发送速率，保证接收方来得及接收。接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小，从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0，则发送方不能发送数据。

11.3 拥塞控制

在某段时间，若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。这种情况就叫拥塞。拥塞控制就是为了防止过多的数据注入到网络中，这样就可以使网络中的路由器或链路不致过载。拥塞控制所要做的都有一个前提，就是网络能够承受现有的网络负荷。拥塞控制是一个全局性的过程，涉及到所有的主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。相反，流量控制往往是点对点通信量的控制，是个端到端的问题。流量控制所要做到的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收。

为了进行拥塞控制，TCP 发送方要维持一个拥塞窗口(cwnd) 的状态变量。拥塞控制窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态变化。发送方让自己的发送窗口取为拥塞窗口和接收方的接受窗口中较小的一个。

TCP 的拥塞控制采用了四种算法，即慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复。在网络层也可以使路由器采用适当的分组丢弃策略（如主动队列管理 AQM），以减少网络拥塞的发生。

慢开始：慢开始算法的思路是当主机开始发送数据时，如果立即把大量数据字节注入到网络，那么可能会引起网络阻塞，因为现在还不知道网络的符合情况。经验表明，较好的方法是先探测一下，即由小到大逐渐增大发送窗口，也就是由小到大逐渐增大拥塞窗口数值。cwnd 初始值为 1，每经过一个传播轮次，cwnd 加倍。
拥塞避免：拥塞避免算法的思路是让拥塞窗口 cwnd 缓慢增大，即每经过一个往返时间 RTT 就把发送放的 cwnd 加 1。
快重传与快恢复：在 TCP/IP 中，快速重传和恢复（fast retransmit and recovery，FRR）是一种拥塞控制算法，它能快速恢复丢失的数据包。没有 FRR，如果数据包丢失了，TCP 将会使用定时器来要求传输暂停。在暂停的这段时间内，没有新的或复制的数据包被发送。有了 FRR，如果接收机接收到一个不按顺序的数据段，它会立即给发送机发送一个重复确认。如果发送机接收到三个重复确认，它会假定确认件指出的数据段丢失了，并立即重传这些丢失的数据段。有了 FRR，就不会因为重传时要求的暂停被耽误。　当有单独的数据包丢失时，快速重传和恢复（FRR）能最有效地工作。当有多个数据信息包在某一段很短的时间内丢失时，它则不能很有效地工作。

12. 在浏览器中输入 url 地址 ->> 显示主页的过程

打开一个网页，整个过程会使用哪些协议？

在这里插入图片描述
总体来说分为以下几个过程:

DNS 解析
TCP 连接
发送 HTTP 请求
服务器处理请求并返回 HTTP 报文
浏览器解析渲染页面
连接结束

13. 状态码

在这里插入图片描述

1xx类状态码属于提示信息，是协议处理中的一种中间的状态，实际用到的比较少。
2xx类状态码表示服务器成功处理了客服端的请求。

「200 OK」是最常见的成功状态码，表示一切正常。如果是非 HEAD 请求，服务器返回的响应头都会有 body 数据。
「201 Created」请求成功并且服务器创建了新的资源。
「202 Accept」服务器已接受请求，但尚未处理。
「203 Non-Authoritative Information」非授权信息，服务器已成功处理了请求，但返回的信息可能来自另一来源。
「204 No Content」也是常见的成功状态码，与 200 OK 基本相同，但响应头没有 body 数据。

3xx类状态码表示客户端请求的资源发生了变动，需要客户端用新的 URL 重新发送请求获取资源，也就是重定向。

「301 Moved Permanently」表示永久重定向，说明请求的资源已经不存在了，需改用新的 URL 再次访问。
「302 Found」表示临时重定向，说明请求的资源还在，但暂时需要用另一个 URL 来访问。
注意：301 和 302 都会在响应头里使用字段 Location，指明后续要跳转的 URL，浏览器会自动重定向新的 URL。
「303 See Other」查看其他位置，请求者应当对不同的位置使用单独的 GET 请求来检索响应时，服务器返回此代码。
「304 Not Modified」不具有跳转的含义，表示资源未修改，重定向已存在的缓冲文件，也称缓存重定向，也就是告诉客户端可以继续使用缓存资源，用于缓存控制。
「307 Temporary Redirect」临时重定向，服务器目前从不同位置的网页响应请求，但请求者应继续使用原有位置来进行以后的请求。

4xx类状态码表示客户端发送的报文有误，服务器无法处理，也就是错误码的含义。

「400 Bad Request」表示客户端请求的报文有错误，但只是个笼统的错误。
「401 Unauthorized」未授权，请求要求身份验证。对于登录后请求的网页，服务器可能返回此响应
「403 Forbidden」表示服务器禁止访问资源，并不是客户端的请求出错。
「404 Not Found」表示请求的资源在服务器上不存在或未找到，所以无法提供给客户端。
「405 Method Not Allowed」方法禁用，禁用请求中指定的方法。

5xx类状态码表示客户端请求报文正确，但是服务器处理时内部发生了错误，属于服务器端的错误码。

「500 Internal Server Error」与 400 类似，是个笼统通用的错误码，服务器发生了什么错误，我们并不知道。
「501 Not Implemented」表示客户端请求的功能还不支持，类似“即将开业，敬请期待”的意思。
「502 Bad Gateway」通常是服务器作为网关或代理时返回的错误码，表示服务器自身工作正常，访问后端服务器发生了错误。
「503 Service Unavailable」表示服务器当前很忙，暂时无法响应客户端，类似“网络服务正忙，请稍后重试”的意思。
「504 Gateway Timeout」网关超时，服务器作为网关或代理，但是没有及时从上游服务器收到请求。
「505 HTTP Version not supported」HTTP 版本不受支持，服务器不支持请求中所用的 HTTP 协议版本

14.各种协议与 HTTP 协议之间的关系

在这里插入图片描述

15. HTTP如何保存用户的状态？

HTTP 是一种不保存状态，即无状态（stateless）协议。也就是说 HTTP 协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存。那么我们保存用户状态呢？Session 机制的存在就是为了解决这个问题，Session 的主要作用就是通过服务端记录用户的状态。

在服务端保存 Session 的方法很多，最常用的就是内存和数据库(比如是使用内存数据库 redis 保存)。既然 Session 存放在服务器端，那么我们如何实现 Session 跟踪呢？大部分情况下，我们都是通过在 Cookie 中附加一个 Session ID 来方式来跟踪。

Cookie被禁用了怎么办？
最常用的就是利用 URL 重写把 Session ID 直接附加在 URL 路径的后面。

16.Cookie 的作用是什么? 和 Session 有什么区别？

Cookie 和 Session 都是用来跟踪浏览器用户身份的会话方式，但是两者的应用场景不太一样。

Cookie 一般用来保存用户信息。比如 ① 我们在 Cookie 中保存已经登录过的用户信息，下次访问网站的时候页面可以自动帮你把登录的一些基本信息给填了；② 一般的网站都会有保持登录，也就是说下次你再访问网站的时候就不需要重新登录了，这是因为用户登录的时候我们可以存放了一个 Token 在 Cookie 中，下次登录的时候只需要根据 Token 值来查找用户即可(为了安全考虑，重新登录一般要将 Token 重写)；③ 登录一次网站后访问网站其他页面不需要重新登录。

Session 的主要作用就是通过服务端记录用户的状态。 典型的场景是购物车，当你要添加商品到购物车的时候，系统不知道是哪个用户操作的，因为 HTTP 协议是无状态的。服务端给特定的用户创建特定的 Session 之后就可以标识这个用户并且跟踪这个用户了。

Cookie 数据保存在客户端(浏览器端)，Session 数据保存在服务器端。

17. URI 和 URL 的区别是什么?

URI(Uniform Resource Identifier) 是统一资源标志符，可以唯一标识一个资源。
URL(Uniform Resource Locator) 是统一资源定位符，可以提供该资源的路径。它是一种具体的 URI，即 URL 可以用来标识一个资源，而且还指明了如何 locate 这个资源。

URI 的作用像身份证号一样，URL 的作用更像家庭住址一样。URL 是一种具体的 URI，它不仅唯一标识资源，而且还提供了定位该资源的信息。

18.HTTP缓存技术

对于一些具有重复性的 HTTP 请求，比如每次请求得到的数据都一样的，我们可以把这对「请求-响应」的数据都缓存在本地，那么下次就直接读取本地的数据，不必在通过网络获取服务器的响应了，这样的话 HTTP/1.1 的性能肯定肉眼可见的提升。

所以，避免发送 HTTP 请求的方法就是通过缓存技术，HTTP 设计者早在之前就考虑到了这点，因此 HTTP 协议的头部有不少是针对缓存的字段。

HTTP 缓存有两种实现方式，分别是强制缓存和协商缓存。

18.1 强制缓存

强缓存指的是只要浏览器判断缓存没有过期，则直接使用浏览器的本地缓存，决定是否使用缓存的主动性在于浏览器这边。

强缓存是利用下面这两个 HTTP 响应头部（Response Header）字段实现的，它们都用来表示资源在客户端缓存的有效期：

Cache-Control，是一个相对时间；
Expires，是一个绝对时间；

如果 HTTP 响应头部同时有 Cache-Control 和 Expires 字段的话，Cache-Control的优先级高于 Expires 。

具体的实现流程如下：

当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在 Response 头部加上 Cache-Control，Cache-Control 中设置了过期时间大小；
浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，会先通过请求资源的时间与 Cache-Control 中设置的过期时间大小，来计算出该资源是否过期，如果没有，则使用该缓存，否则重新请求服务器；
服务器再次收到请求后，会再次更新 Response 头部的 Cache-Control。

18.2 协商缓存

当我们在浏览器使用开发者工具的时候，你可能会看到过某些请求的响应码是 304，这个是告诉浏览器可以使用本地缓存的资源，通常这种通过服务端告知客户端是否可以使用缓存的方式被称为协商缓存。
在这里插入图片描述
上图就是一个协商缓存的过程，所以协商缓存就是与服务端协商之后，通过协商结果来判断是否使用本地缓存。

协商缓存可以基于两种头部来实现。

第一种：请求头部中的 If-Modified-Since 字段与响应头部中的 Last-Modified 字段实现，这两个字段的意思是：

响应头部中的 Last-Modified：标示这个响应资源的最后修改时间；
请求头部中的 If-Modified-Since：当资源过期了，发现响应头中具有 Last-Modified 声明，则再次发起请求的时候带上 Last-Modified 的时间，服务器收到请求后发现有 If-Modified-Since 则与被请求资源的最后修改时间进行对比（Last-Modified），如果最后修改时间较新（大），说明资源又被改过，则返回最新资源，HTTP 200 OK；如果最后修改时间较旧（小），说明资源无新修改，响应 HTTP 304 走缓存。

第二种：请求头部中的 If-None-Match 字段与响应头部中的 ETag 字段，这两个字段的意思是：

响应头部中 Etag：唯一标识响应资源；
请求头部中的 If-None-Match：当资源过期时，浏览器发现响应头里有 Etag，则再次向服务器发起请求时，会将请求头If-None-Match 值设置为 Etag 的值。服务器收到请求后进行比对，如果资源没有变化返回 304，如果资源变化了返回 200。

如果 HTTP 响应头部同时有 Etag 和 Last-Modified 字段的时候， Etag 的优先级更高，也就是先会判断 Etag 是否变化了，如果 Etag 没有变化，然后再看 Last-Modified。

注意，协商缓存这两个字段都需要配合强制缓存中 Cache-control 字段来使用，只有在未能命中强制缓存的时候，才能发起带有协商缓存字段的请求。
在这里插入图片描述

19. HTTP/1.1 如何进行优化？

尽量避免发送 HTTP 请求；
在需要发送 HTTP 请求时，考虑如何减少请求次数；
减少服务器的 HTTP 响应的数据大小；

19.1 避免发送HTTP请求——缓存实现

具体流程可以参考18 HTTP缓存技术

19.2 减少HTTP请求

减少重定向的次数(通过HTTP状态码缓存到本地磁盘中)
合并HTTP请求(合并资源，以一个大资源的请求替换多个小资源的请求。)
延迟发送请求(按需加载，只需加载用户当前页面的资源，下滑页面再进行请求)

19.3 压缩HTTP请求

无损压缩
无损压缩是指资源经过压缩后，信息不被破坏，还能完全恢复到压缩前的原样，适合用在文本文件、程序可执行文件、程序源代码。
首先，我们针对代码的语法规则进行压缩，因为通常代码文件都有很多换行符或者空格，这些是为了帮助程序员更好的阅读，但是机器执行时并不要这些符，把这些多余的符号给去除掉。
gzip 就是比较常见的无损压缩。客户端支持的压缩算法，会在 HTTP 请求中通过头部中的 Accept-Encoding 字段告诉服务器：Accept-Encoding: gzip, deflate, br
服务器收到后，会从中选择一个服务器支持的或者合适的压缩算法，然后使用此压缩算法对响应资源进行压缩，最后通过响应头部中的 content-encoding 字段告诉客户端该资源使用的压缩算法。content-encoding: gzip
有损压缩
与无损压缩相对的就是有损压缩，经过此方法压缩，解压的数据会与原始数据不同但是非常接近。
有损压缩主要将次要的数据舍弃，牺牲一些质量来减少数据量、提高压缩比，这种方法经常用于压缩多媒体数据，比如音频、视频、图片。
可以通过 HTTP 请求头部中的 Accept 字段里的「 q 质量因子」，告诉服务器期望的资源质量。Accept: audio/*; q=0.2, audio/basic

19.4 总结

这次主要从 3 个方面介绍了优化 HTTP/1.1 协议的思路。

第一个思路是，通过缓存技术来避免发送 HTTP 请求。客户端收到第一个请求的响应后，可以将其缓存在本地磁盘，下次请求的时候，如果缓存没过期，就直接读取本地缓存的响应数据。如果缓存过期，客户端发送请求的时候带上响应数据的摘要，服务器比对后发现资源没有变化，就发出不带包体的 304 响应，告诉客户端缓存的响应仍然有效。

第二个思路是，减少 HTTP 请求的次数，有以下的方法：

将原本由客户端处理的重定向请求，交给代理服务器处理，这样可以减少重定向请求的次数；
将多个小资源合并成一个大资源再传输，能够减少 HTTP 请求次数以及头部的重复传输，再来减少 TCP 连接数量，进而省去 TCP 握手和慢启动的网络消耗；
按需访问资源，只访问当前用户看得到/用得到的资源，当客户往下滑动，再访问接下来的资源，以此达到延迟请求，也就减少了同一时间的 HTTP 请求次数。

第三个思路是，通过压缩响应资源，降低传输资源的大小，从而提高传输效率，所以应当选择更优秀的压缩算法

20. HTTP 2.0 的优化

头部压缩
HTTP/2 会压缩头（Header）如果你同时发出多个请求，他们的头是一样的或是相似的，那么，协议会帮你消除重复的部分。
这就是所谓的 HPACK 算法：在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，生成一个索引号，以后就不发送同样字段了，只发送索引号，这样就提高速度了。
二进制格式
HTTP/2 不再像 HTTP/1.1 里的纯文本形式的报文，而是全面采用了二进制格式，头信息和数据体都是二进制，并且统称为帧（frame）,增加了数据传输的效率。
数据流
在 HTTP/2 中每个请求或响应的所有数据包，称为一个数据流（Stream）。每个数据流都标记着一个独一无二的编号（Stream ID），不同 Stream 的帧是可以乱序发送的（因此可以并发不同的 Stream ），因为每个帧的头部会携带 Stream ID 信息，所以接收端可以通过 Stream ID 有序组装成 HTTP 消息。
多路复用
HTTP/2 是可以在一个连接中并发多个请求或回应，而不用按照顺序一一对应。移除了 HTTP/1.1 中的串行请求，不需要排队等待，也就不会再出现「队头阻塞」问题，降低了延迟，大幅度提高了连接的利用率。
服务器推送
HTTP/2 还在一定程度上改善了传统的「请求 - 应答」工作模式，服务端不再是被动地响应，可以主动向客户端发送消息。
比如，客户端通过 HTTP/1.1 请求从服务器那获取到了 HTML 文件，而 HTML 可能还需要依赖 CSS 来渲染页面，这时客户端还要再发起获取 CSS 文件的请求，需要两次消息往返。而在 HTTP/2 中，客户端在访问 HTML 时，服务器可以直接主动推送 CSS 文件，减少了消息传递的次数。

21. TLS握手过程

TLS 握手的目的是建立安全连接，那么通信双方在这个过程中究竟干了什么呢？下面就是答案：

商定双方通信所使用的的 TLS 版本 (例如 TLS1.0, 1.2, 1.3等等)；
确定双方所要使用的密码组合；
客户端通过服务器的公钥和数字证书上的数字签名验证服务端的身份；
生成会话密钥，该密钥将用于握手结束后的对称加密。

详细的握手过程：
在这里插入图片描述

第一次握手：
客户端通过发送"client hello"消息向服务器发起握手请求，该消息包含了客户端所支持的 TLS 版本号、支持的密码套件列表，以及生成的随机数（Client Random），这个随机数会被服务端保留，它是生成对称加密密钥的材料之一。
第二次握手：
（1）当服务端收到客户端的「Client Hello」消息后，会确认 TLS 版本号是否支持，和从密码套件列表中选择一个密码套件，以及生成随机数（Server Random）。
（2）接着，返回「Server Hello」消息，消息里面有服务器确认的 TLS 版本号，也给出了随机数（Server Random），然后从客户端的密码套件列表选择了一个合适的密码套件。

就前面这两个客户端和服务端相互「打招呼」的过程，客户端和服务端就已确认了 TLS 版本和使用的密码套件，而且你可能发现客户端和服务端都会各自生成一个随机数，并且还会把随机数传递给对方。那这个随机数有啥用呢？其实这两个随机数是后续作为生成「会话密钥」的条件，所谓的会话密钥就是数据传输时，所使用的对称加密密钥。
（3）然后，服务端为了证明自己的身份，会发送「Server Certificate」给客户端，这个消息里含有数字证书。

（4）随后，服务端发了「Server Hello Done」消息，目的是告诉客户端，我已经把该给你的东西都给你了，本次打招呼完毕。
第三次握手：
客户端验证完证书后，认为可信则继续往下走。接着，客户端就会生成一个新的随机数 (pre-master)，用服务器的 RSA 公钥加密该随机数，通过「Change Cipher Key Exchange」消息传给服务端。

服务端收到后，用 RSA 私钥解密，得到客户端发来的随机数 (pre-master)。

至此，客户端和服务端双方都共享了三个随机数，分别是 Client Random、Server Random、pre-master。

于是，双方根据已经得到的三个随机数，生成会话密钥（Master Secret），它是对称密钥，用于对后续的 HTTP 请求/响应的数据加解密。

生成完会话密钥后，然后客户端发一个「Change Cipher Spec」，告诉服务端开始使用加密方式发送消息。
在这里插入图片描述
然后，客户端再发一个「Encrypted Handshake Message（Finishd）」消息，把之前所有发送的数据做个摘要，再用会话密钥（master secret）加密一下，让服务器做个验证，验证加密通信是否可用和之前握手信息是否有被中途篡改过。