小林coding——网络篇-优快云博客

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TCP/IP网络模型
- 包含应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层
- 应用层：用户直接接触到的，应用软件实现在应用层。应用层工作在操作系统的用户态。
- 传输层：为应用层提供网络支持，不负责传输数据，有TCP/UDP两个传输协议。TCP报文中携带了端口号，区分是哪个应用进程在传输数据。
- 网络层：负责传输数据。IP协议。
  - IP协议的作业：寻址-->找到要传输到哪一台设备上（目的地去哪儿？）；路由-->两台设备之间可能有很多条网络路径，数据包到达一个网络节点时，根据算法决定接下来走哪一条网络路径（去目的地应该怎么走？）。
  - IP头部包含了源地址和目的地址
- 数据链路层：数据需要跨网络传输时，需要一个设备在两个网络之中，这个设备就是路由器。
  - 数据链路层用来标识网络中的设备
  - 为网络层提供链路级别的服务
- 物理层：将数据包转化为电信号，让其可以在物理介质中传输。
HTTP（超文本传输协议）
- 一个在计算机世界中在【两点】之间【传输】文字图片音频视频等【超文本】数据的【约定和规范】
- 五大类状态码：1** --> 提示信息，协议处理中间状态；2** --> 处理成功；3** --> 重定向，资源位置发生变动，需要重新发送请求；4** --> 客服端错误，请求的报文有误，服务器无法处理；5** --> 服务器处理，服务器处理请求时内部错误。
- http的优点：简单灵活，易于扩展，应用广泛，跨平台
- 缺点：无状态（Cookie可以记录状态，用于解决无状态问题）。明文传输不安全，内容可能会被监听，不验证通信方的身份（遭遇伪装），无法验证报文的完整性（内容可能会被篡改）。
- HTTP的安全问题可通过HTTPS解决（通过引入SSL/TLS层）
- 早期的http1.0：
  - 每发起一个请求都要建立一次TCP三次握手，增加了通信开销
  - 串行机制，请求A发出并收到服务器响应之后，请求B才能发出
- http1.1
  - 提出了长连接方式，持久连接，减少了TCP重复连接和断开的额外开销，减轻了服务端的负载
  - 管道机制，只要请求A发出后，不用等待其回来，请求B可以继续发出。减少了整体响应时间
  - 还是存在着队头堵塞问题，服务器对A的请求未响应，则请求B及以后的请求都阻塞住，客户端一直无法请求到数据。
  - 请求响应头部信息未经压缩就发送，首部信息越多延迟越大
  - 发送了冗长的首部，并且很多请求中发送了相同的首部，浪费较多。
  - 请求只能从客户端开始，服务器只能被动响应
  - 如何优化HTTP1.1？（三个思路：避免发送http请求；要发送http请求时，减少请求次数；减少服务器响应数据大小）
    - 避免发送http请求：使用缓存机制
    - 减少http请求次数：减少重定向次数，合并请求（减少重复发送的http头部信息，减少TCP建立连接的次数），延迟发送请求（按需获取）
    - 减少服务器响应的数据大小：无损压缩，有损压缩
- http2
  - HPACK算法进行头部压缩，消除重复部分
    - 静态字典，动态字典，Huffman压缩算法
  - 二进制格式传输
    - 二进制帧
  - 多路复用解决队头阻塞，并发传输
  - 服务器主动推送消息
- http3（未普及）
  - 将http2中将HTTP下层的TCP改成了UDP
HTTP和HTTPS的区别
TLS1.2四次握手
- 第一次握手：客户端发送【Client Hello】信息，携带了客户端的TLS版本号，一个随机数（Client Random），支持的密码套件列表
- 第二次握手：服务器收到【Client Hello】信息后，返回【Server Hello】消息，里面携带了确认的TLS版本，服务器生成的随机数（Server Random），选择的一个合适的密码套件。然后服务器发送【Server Certificate】消息，里面携带了数字证书信息。最后发送【Server Hello Done】消息，表示本次发送完毕
- 第三次握手：客户端验证证书有效之后，生成一个新的随机数（pre-master），数字加密后通过发送【Change Cipher Key Exchange】消息给服务器。服务器收到解密之后，双方根据共享的三个随机数生产会话密钥（用于解密后续传输的加密数据），然后客户端发送【Change Clipher Spec】告诉服务器开始使用加密传输。最后客户端发送【Encrypted Handshake Message】消息，用于验证加密通信和解密是否可用。
- 第四次握手：服务器发送【Change Clipher Spec】和【Encrypted Handshake Message】消息，同样用于验证加密通信和解密是否可用。
- 最后用【会话密钥】加密和解密http的通信
如何优化HTTPS？
- 相比于HTTP， HTTPS的性能消耗多了两个方面：1.TLS协议握手过程；2.握手后的对称加密报文传输
TCP
- TCP头部格式
- 客户端和服务端建立一个TCP连接需要达成三方面信息的共识：socket（IP地址和端口号等），序列号（解决乱序问题等），窗口大小（用于流量控制）
- TCP三次握手
  - 第一次握手：一开始服务器处于监听（LISTEN）状态，客户端随机初始化序列号（client_isn），同时将SYN位置为1表示希望建立连接。将这个SYN报文发送给服务器端，之后客户端处于SYN-SENT状态。
  - 第二次握手：服务器收到客户端发送的SYN报文后，初始化了服务端的序列号（server_isn），在确认应答号处填入client_isn+1，然后将SYN和ACK位置为1，然后发送给客户端，随后服务端处于SYN-RCVD状态
  - 第三次握手：客户端收到服务端报文之后，将ACK置为1，确认应答好设置为server_isn+1，然后发送给服务端，此次发送的报文可以携带服务器数据之后，客户端处于ESTABLISHED状态，服务端收到之后也进入ESTABLISHED状态
  - 为什么是三次握手，不是二次或者四次？
    - 三次握手才可以防止旧的重复连接初始化造成的混乱（主要原因）
    - 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
- TCP四次挥手
  - 第一次挥手：假如客户端准备断开连接，首先会发送一个FIN位置为1的TCP头部的FIN报文给服务端，然后客户端进入FIN_WAIT_1状态
  - 第二次挥手：服务器收到FIN报文后，向客户端发送ACK应答报文，然后服务端进入CLOSED_WAIT状态，客户端收到应答报文之后，进入FIN_WAIT_2状态，等待服务端处理完数据，然后向客户端发送FIN报文，之后服务端进入LAST_ACK状态
  - 第三次挥手：客户端收到收到FIN报文之后，回一个ACK应答报文，然后进入TIME_WAIT状态
  - 第四次挥手：服务端收到ACK应答报文，进入CLOSED状态，此时服务器端完成了连接的关闭；客户端在经过一段时间（一般是TIME_WAIT状态持续2MSL（报文最大生存时间，Linux中1MSL为30s））等待后也自动进入CLOSED状态，此时客户端也完成了连接的关闭。
  - 两端各发送了一个FIN和ACK报文；主动关闭连接的才有TIME_WAIT状态
  - 为什么TIME_WAIT持续2MSL？
    - 1.防止旧连接的数据包；2.保证被动关闭连接的一方能够正确的关闭，即保证最后的ACK报文能被服务器接收到，从而使其正确地从LAST_ACK状态进入CLOSED状态。
  - 为什么挥手需要四次？
    - 挥手过程需要先把正在处理的数据处理完成，所以服务器端中途会等待一段时间之后再发生FIN报文，所以成了四次。
- TCP重传机制（通过序列号和确认应答号实现可靠传输）
  - 超时重传（时间RTO设置很重要）
  - 快速重传
- 滑动窗口
- 流量控制
  - 让「发送⽅」根据「接收⽅」的实际接收能⼒控制发送的数据量，防止处理不过来而导致重传
- 拥塞控制
IP网络层
- MAC 的作⽤：实现「直连」的两个设备之间通信， IP ：负责在「没有直连」的两个⽹络之间进⾏通信传输
- 数据传输过程中，源IP地址和目的IP地址一直未变化，而源MAC地址和目的MAC地址会变化。
- DNS域名解析（将域名解析为具体的IP地址）
  - 当浏览器键入一个域名时，首先会查看浏览器缓存是否有该域名的IP地址，如果没有则询问操作系统的缓存，如果没有就检查本地域名解析文件hosts，如果还是没有就会使用DNS故武器进行查询：
- ARP协议：借助主机广播ARP请求和接收APR响应的包确定下一级的MAC地址（已知IP地址求MAC地址）
- RARP协议：已知MAC地址求IP地址
- DHCP：最常用的，用来动态获取IP地址
浏览器中键入一个URL链接到显示网页发生了什么？
- 浏览器解析URL，确定要访问的Web服务器名和文件名，
- 然后询问DNS服务器查询访问地址的IP地址，然后生成HTTP信息委托给操作系统进行发送，
- 建立TCP三次握手连接，数据长度大于MISS长度时进行TCP分割数据，然后生成TCP报文(TCP头部+HTTP报文+数据）
- 委托IP模块将数据封装成网络包进行发送：生成IP报文（里面有源和目的IP信息进行寻址）；生成MAC头部进行路由，发送给下一个路由器（里面有源和目的MAC信息进行路由），此时就是MAC头部+IP头部+TCP头部+HTTP报文+数据
- 网络包只是一堆二进制文件，需要网卡转换为电信号才能在网线传输（这才是真正的发送）select