计算机编程基础_计算机网络

[TOC]

传输层

传输层管理端到端的通信连接，用于解决多机进程与进程间的通信

使用端口（port）来标记不同的网络进程，使用16比特位表示（0～65535），常用端口：

应用

端口

FTP

22

HTTP

80

HTTPS

443

DNS

53

TELNET

23

UDP协议

UDP（User Datagram Protocol）用户数据报协议

UDP协议不会对传输的数据报协议进行合并或拆分，会直接将数据报封装到协议中

UDP是无连接协议，UDP传输时不可靠的（数据可能会丢失），是面向报文（数据报）传输的（就是说UDP协议会直接将数据报封装到协议中），UDP没有拥塞控制，UDP首部开销很小。

TCP协议

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议

TCP是面向连接的协议，TCP的一个连接有两个端点（点对点通信），TCP提供可靠的数据传输，TCP协议提供全双工的通信，是面向字节流的协议（可能会将数据报进行分割或合并而后传输），

序号

序号是数据首字节序号，范围为0～(1<<32)-1，一个字节一个序列号。

确认号

确认号是期望收到数据的首字节序号，范围为0～(1<<32)-1，一个字节一个序列号。

如果确认号为N，则表示N-1序号的数据都已经收到了。

数据偏移

数据偏移是数据偏离首部的距离，占4位（0～（1<<15-1））【单位为：32位】，TCP首部范围为20～60字节。

TCP标记

标记

含义

URG（Urgent）

紧急位，URG=1表示紧急数据

ACK（Acknowledgement）

确认位，ACK=1表示确认号才生效

PSH（Push）

推送位，PSH=1表示要尽快地把数据交付给应用层

RST（Reset）

重置位，RST=1表示重新建立连接

SYN（Synchronization）

同步位，SYN=1表示连接请求报文

FIN（Finish）

终止位，FIN=1表示释放连接

窗口

窗口指明允许对方发送的数据量，占16位（0～（1<<16-1））

校验和

紧急指针

紧急数据URG=1

指定紧急数据在报文的数据

TCP选项

最多40个字节，支持未来的拓展

可靠传输的基本原理

停止等待协议

是简单的可靠传输协议，但是对信道的利用率不高

无差错情况下：

  1. 对于发送方来说，发送消息之后就会等待接收方的应答消息而后才继续发送消息。

  2. 对于接收方来说，没有收到消息就处于等待阶段，直到收到消息然后作出应答。

有差错情况下（通过超时重传来保证可靠传输）

  1. 对于发送方来说，发送消息之后可能会丢失，因此超过一定时间未收到应答消息，就重新发送（超时重传）

  2. 对于接收方来说，发出的应答消息可能会丢失或者很久之后才被请求方收到，因此超过一定时间未收到新的请求消息，就重新发送应答消息（超时重传）

超时重传是通过超时定时器来判断等待是否超时的

差错的情况有：

  1. 发送的消息在路上丢失了

  2. 确认的消息在路上丢失了

  3. 确认的消息很久才到

连续ARQ（Automatic Repeat reQuest：自动重传请求）协议

利用滑动窗口批量发送和确认数据，并采用累计确认消息

TCP协议的可靠传输

TCP的可靠传输基于连续ARQ协议，TCP的滑动窗口以字节为单位。

流量控制考虑的是点对点的通信量的控制

选择重传需要指定需要重传的字节（存储在TCP选项中），每一个字节都有唯一的32位序列号。

TCP协议的流量控制

流量控制指让发送方发送速率不要太快，是基于滑动窗口实现的

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待窗口为0时将会为发送方再分配一个窗口配额，如果新的配额在同步给发送方的路上丢失，那么就会造成死锁（因为接收方已经分配了新的窗口配额给发送方，那么将会一直等待新的请求；而请求方记录的窗口配置为0了，则一直在等待接收方分配配额）。解决方法是使用坚持定时器

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坚持定时器

  1. 当接收到窗口为0的消息，则启动坚持定时器

  2. 坚持定时器每隔一段时间发送一个窗口探测报文（询问窗口配额有没有调大）

TCP协议的拥塞控制

当网络对硬件设备的性能要求大于可用资源时就会发生拥塞。一条链路经过非常多的设备，数据链路中各个部分都有可能成为网络传输的瓶颈。

流量控制考虑点对点的通信量的控制

拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑

报文超时有可能是因为拥塞（当然超时也可能是网络出现故障等）

拥塞控制用来调节网络的负载

接收方网络资源繁忙，因未及时响应ACK导致发送方重传大量数据，将是的网络更加拥堵。拥塞控制可以动态调整窗口大小，不只是依赖缓冲区大小确定窗口。

慢启动和拥塞避免

慢启动算法

  1. 由小到大逐渐增加发送的数据量

  2. 每收到一个报文确认，就加一

发送数据是指数增长的（1，2，4，8，16...），直到增长到慢启动阈值，增长到阈值就不增长了

拥塞避免算法

  1. 维护一个拥塞窗口的变量

  2. 只要网络不拥塞，就试探着将拥塞窗口调大

结合慢启动算法，可以得到1，2，4，8，16，17，18，19...

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在慢启动阶段从1开始以2倍扩大的方式指数增长至慢启动阈值，接着进入拥塞避免加法增大（每次增大1），如果遇到网络拥塞的情况则会直接将窗口置为1，慢启动阈值置为原来的一般，继续进入慢启动阶段。

快速重传和快速恢复

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最开始仍然采用慢启动和拥塞避免算法。不同的是在收到3个重复ACK执行快重传，快重传（乘法减小）是将拥塞窗口降为原来的一半，将拥塞避免的阈值也降为原来的一半，接着进入快速恢复阶段。快速恢复对数据进行重传，重传完毕后，进入拥塞避免（加法增大）。

TCP三次握手（建立连接）

为什么发送方要发出第三个确认报文呢？为什么两次握手不行呢？

避免已经失效的连接请求报文传送到对方，引起错误

第一次发送的链接请求由于耗时过长变成了失效的请求报文

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如果采用两次握手就建立起连接，那么将会重复建立连接

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通过第三次握手来避免重复建立连接，在发送方再次收到同一连接请求消息的应答时将忽略。

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TCP四次挥手（释放连接）

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等待计时器

等待计时器等待2倍最长报文段寿命（MSL：Max Segment Lifetime），建议设置MSL为2分钟。

为什么需要等待计时器（为什么需要等待2MSL）

最后一个报文没有确认，为了确保发送方的ACK可以到达接收方，2MSL时间内没有收到，则接收方会重发。

确保当前连接的所有报文都已经过期。

应用层

DNS

DNS（Domain Name System）域名系统

解析域名获得IP

DHCP协议

DHCP（动态主机设置协议），是一个局域网协议，监听默认端口为67。

DHCP是应用UDP协议的应用层协议。

DHCP主要是为局域网中的设备分配一个临时IP，在租期内可用

  1. 主机使用UDP协议广播DHCP发现报文

  2. DHCP服务器发出DHCP提供报文

  3. 主机向DHCP服务器发出DHCP请求报文

  4. DHCP服务器回应并提供IP地址

HTTP协议

HTTP（超文本传输协议）是可靠的数据传输协议

超文本（超级文本）是带超链接的文本

HTTP请求方法

  1. GET：获取指定资源

  2. POST：提交数据到服务端

  3. DELETE：删除指定的服务端资源

  4. PUT：更新指定的服务端资源

HTTP请求报文

  1. 第一行：请求方法、请求地址、HTTP版本

  2. 第二行：请求头

  3. 第三行：请求内容

实例：

POST https://1005281342.gitbook.io  HTTP/1.1

Accept-Encoding:gzip;Accept-Language:zh-CN

{
    "key": "value"
}

HTTP应答报文

  1. 第一行：HTTP版本、状态码、状态解释

  2. 第二行：应答头

  3. 第三行：应答内容

状态码

200～299: 成功状态码

300～399: 重定向状态码

400～499: 客户端错误状态码

500～599: 服务端错误状态码

Web缓存

主要涉及对热点数据的缓存。可以使用如Redis等组件进行缓存。

Web代理

正向代理：代理主要代表客户端去访问后端Server

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反向代理：代理主要代表服务端处理客户端请求将数据返回。

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常用Web反向代理软件：Nginx

CDN（内容分发网络）

CDN（Content Delivery Network）内容分发网络主要目的是为了给多媒体内容加速。

当访问的资源目的地物理距离较远时，通常将该资源备份一份到附近，通过减少物理距离等方式来提高访问速读。

爬虫

通过网络机器人（爬虫）获取网页信息时：

  1. 增加网络拥塞

  2. 损耗服务器资源

HTTPS协议

HTTP协议是明文传输的，可能会造成个人的敏感信息泄漏。

HTTPS是安全的HTTP协议（HTTP+SSL）

加密

对称加密：加解密的密钥一致

非对称加密：加密（公钥）和解密（私钥）的密钥不一致，但是两个密钥是拥有一定数学关系的一组密钥，相互不可分离。

数字证书

数字证书是可信任组织颁发给特定对象的认证

SSL（安全套接层）

保护数据安全和数据完整；对传输层数据进行加密后传输。

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HTTPS通信

  1. 客户端通过端口443同服务端进行TCP连接

  2. SSL安全参数握手

  3. 客户端发出请求（发送数据）

  4. 服务端响应请求（发送数据）

SSL安全参数握手

综合使用了对称加密和非对称加密，在传输过程中使用的是非对称加密，完成握手后使用对称加密进行加解密。完成握手后双方分别生产密钥，没有经过传输，减少了密钥泄露的可能性。

  1. 客户端生成一个随机数a同协议版本、加密算法发送给服务端

  2. 服务端确认加密算法，将数字证书以及生成的随机数b发送给客户端

  3. 客户端确认证书是否有效，生成随机数c，然后使用服务器的公钥加密随机数c（只有服务器可以解密出随机数c）

  4. 客户端、服务端根据随机数a、b、c以及之前约定的加密算法生成对称密钥。

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