计算机基础-网络

OSI七层模型

从下到上，分别是物理层、数据链路层、传输层、网络层、会话层、表现层、应用层。
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。

既然 OSI 七层模型这么厉害，为什么干不过 TCP/IP 四 层模型呢？

的确，OSI 七层模型当时一直被一些大公司甚至一些国家政府支持。这样的背景下，为什么会失败呢？我觉得主要有下面几方面原因：
OSI 的专家缺乏实际经验、缺乏商业驱动力
OSI 的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低
OSI 制定标准的周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场
OSI 的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。
但是，OSI 七层模型虽然失败了，但是却提供了很多不错的理论基础。为了更好地去了解网络分层，OSI 七层模型还是非常有必要学习的。

TCP/IP 四层模型

网络接口层、网络层、传输层、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。
HTTP、FTP、DNS等

传输层

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
TCP：有连接的、可靠的
UDP：无连接的、不可靠的

网络层

负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
IP、ARP、ICMP、NAT

网络接口层

数据链路层和物理层的合体。
MAC、以太网等。

为什么网络要分层？

复杂的系统需要分层，因为每一层都需要专注于一类事情。网络分层的原因也是一样，每一层只专注于做一类事情。
主要有 3 方面的原因：
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。这个和我们平时开发系统的时候要求的高内聚、低耦合的原则也是可以对应上的。
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。

HTTP和HTTPS

HTTP 协议介绍

HTTP 协议，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，具体来说，主要是来规范浏览器和服务器端的行为的。

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

HTTP 协议优点

扩展性强、速度快、跨平台支持性好。

HTTPS 协议介绍

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。

SSL/TLS 的工作原理

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。

总结

总结
1.端口号 ：HTTP 默认是 80，HTTPS 默认是 443。
2.URL 前缀 ：HTTP 的 URL 前缀是 http://，HTTPS 的 URL 前缀是 https://。
3.安全性和资源消耗 ： HTTP 协议运行在 TCP 之上，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份。HTTPS 是运行在 SSL/TLS 之上的 HTTP 协议，SSL/TLS 运行在 TCP 之上。所有传输的内容都经过加密，加密采用对称加密，但对称加密的密钥用服务器方的证书进行了非对称加密。所以说，HTTP 安全性没有 HTTPS 高，但是 HTTPS 比 HTTP 耗费更多服务器资源。

知识点

应用层有哪些常见的协议？

HTTP:超文本传输协议

超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol) 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。
HTTP 协是基于 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。

SMTP:简单邮件传输(发送)协议

简单邮件传输(发送)协议（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol） 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。
SMTP 协议这块涉及的内容比较多，下面这两个问题比较重要：

  1. 电子邮件的发送过程
  2. 如何判断邮箱是真正存在的？
    电子邮件的发送过程？
    整个过程可以简单分为下面几步：
  3. 通过 SMTP 协议，我将我写好的邮件交给163邮箱服务器（邮局）。
  4. 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。
    3.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？
    很多场景(比如邮件营销)下面我们需要判断我们要发送的邮箱地址是否真的存在，这个时候我们可以利用 SMTP 协议来检测：
  5. 查找邮箱域名对应的 SMTP 服务器地址
  6. 尝试与服务器建立连接
  7. 连接成功后尝试向需要验证的邮箱发送邮件
  8. 根据返回结果判定邮箱地址的真实性

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。

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。如果我们要基于 FTP 协议开发一个文件传输的软件的话，首先需要搞清楚 FTP 的原理。关于 FTP 的原理，很多书籍上已经描述的非常详细了：

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）：

  1. 控制连接：用于传送控制信息（命令和响应）
  2. 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。

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。

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。

TCP 三次握手和四次挥手(面试常客)

为了准确无误地把数据送达目标处，TCP 协议采用了三次握手策略。

TCP 三次握手漫画图解

如下图所示，下面的两个机器人通过 3 次握手确定了对方能正确接收和发送消息(图片来源：《图解 HTTP》)。

简单示意图：

  • 客户端–发送带有 SYN 标志的数据包–一次握手–服务端
  • 服务端–发送带有 SYN/ACK 标志的数据包–二次握手–客户端
  • 客户端–发送带有带有 ACK 标志的数据包–三次握手–服务端

详细示意图（图片来源不详）

为什么要三次握手

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。

第一次握手：Client 什么都不能确认；Server 确认了对方发送正常，自己接收正常
第二次握手：Client 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server 确认了：对方发送正常，自己接收正常
第三次握手：Client 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常；Server 确认了：自己发送、接收正常，对方发送、接收正常
所以三次握手就能确认双方收发功能都正常，缺一不可。

第 2 次握手传回了 ACK，为什么还要传回 SYN？

接收端传回发送端所发送的 ACK 是为了告诉客户端，我接收到的信息确实就是你所发送的信号了，这表明从客户端到服务端的通信是正常的。而回传 SYN 则是为了建立并确认从服务端到客户端的通信。

为什么要四次挥手


断开一个 TCP 连接则需要“四次挥手”：

  • 客户端-发送一个 FIN，用来关闭客户端到服务器的数据传送
  • 服务器-收到这个 FIN，它发回一 个 ACK，确认序号为收到的序号加 1 。和 SYN 一样，一个 FIN 将占用一个序号
  • 服务器-关闭与客户端的连接，发送一个 FIN 给客户端
  • 客户端-发回 ACK 报文确认，并将确认序号设置为收到序号加 1
    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。
    上面讲的比较概括，推荐一篇讲的比较细致的文章：https://blog.csdn.net/qzcsu/article/details/72861891

TCP, UDP 协议的区别

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。

TCP 协议如何保证可靠传输

  1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
  2. 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。
  3. 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。
  4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
  5. 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）
  6. 拥塞控制： 当网络拥塞时，减少数据的发送。
  7. 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。
  8. 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。

在浏览器中输入 url 地址 ->> 显示主页的过程(面试常客)

打开一个网页，整个过程会使用哪些协议？

图解（图片来源：《图解 HTTP》）：

上图有一个错误，请注意，是 OSPF 不是 OPSF。 OSPF（Open Shortest Path First，ospf）开放最短路径优先协议, 是由 Internet 工程任务组开发的路由选择协议

总体来说分为以下几个过程:

  1. DNS 解析
  2. TCP 连接
  3. 发送 HTTP 请求
  4. 服务器处理请求并返回 HTTP 报文
  5. 浏览器解析渲染页面
  6. 连接结束

具体可以参考下面这篇文章：

状态码

HTTP 是不保存状态的协议, 如何保存用户状态?

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。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（一般情况下，服务器会在一定时间内保存这个 Session，过了时间限制，就会销毁这个 Session）。
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。

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。

Cookie 存储在客户端中，而 Session 存储在服务器上，相对来说 Session 安全性更高。如果要在 Cookie 中存储一些敏感信息，不要直接写入 Cookie 中，最好能将 Cookie 信息加密，然后使用到的时候再去服务器端解密。

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。

建议

非常推荐大家看一下 《图解 HTTP》 这本书，这本书页数不多，但是内容很是充实，不管是用来系统的掌握网络方面的一些知识还是说纯粹为了应付面试都有很大帮助。下面的一些文章只是参考。大二学习这门课程的时候，我们使用的教材是 《计算机网络第七版》（谢希仁编著），不推荐大家看这本教材，书非常厚而且知识偏理论，不确定大家能不能心平气和的读完。

计算机基础
#网络 #计算机网络
计算机基础-网络
https://leehoward.cn/2022/04/03/计算机基础-网络/
作者
lihao
发布于
2022年4月3日
许可协议