计算机网络基础

前言

计算机网络是每个开发者必须掌握的技能，在大量的面试中我们也经常会被问到相关的问题。所以在此我准备复盘一下自己掌握的计算机网络相关的知识，同时将掌握的网络相关知识串通起来以便更好的理解吸收。

计算机网络分层

对于网络的分层我们一般了解到的有两种：ISO（国际化标准组织）制定的OSI七层模型；TCP/IP四层网络模型。OSI七层模型属于学术上制定的国际标准，偏向于理论标准，TCP/IP更接近于实际使用的国际化标准，被广泛应用在生活中的网络实现中。两者的关系可以看下图：

图1.0 OSI模型与TCP/IP的关系.jpg
注：在网络上我们可能也会看到五层模型，它和四层模型的区别就是在OSI模型中的数据链路层和物理层。五层模型将其分为两层，四层模型将其合并为一层。

OSI参考模型各层的含义：

• 应用层：各种应用程序协议，如HTTP协议（超文本传输协议）、FTP协议（文件传输协议）、SMTP协议（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议第三版）等；
• 表示层：信息的语法语义以及它们的关联，如加密、解密、转换翻译、压缩、解压缩等；
• 会话层：不同机器上的用户之间建立及管理会话；
• 传输层：接收上一层的数据，在必要的时候把数据进行分割，并将这些数据交给网络层，并保证这些数据段有效到达对端；
• 网络层：控制子网的运行，如逻辑地址、分组传输、路由选择；
• 数据链路层 ：物理寻址，同时将原比特流转变为逻辑传输线路；
• 物理层：机械、电子、定时接口通信道上的原始比特流传输；

HTTP协议

• HTTP协议是建立在TCP/IP协议之上的，是一个应用层的协议，默认端口号是80；
• 灵活：HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型有content-type加以标记；
• 无连接：指的是限制每次连接只处理一个请求。服务端处理完客户端的请求，并收到客户端的应答后，即断开连接。
• 无状态：HTTP协议是无状态的协议。指的是协议对于事务处理没有记忆的能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的状态，则它必须重传；

HTTP请求方法

http/1.1规定了以下请求方法：

• GET：通常用来获取资源
• PUT：修改数据
• POST：向服务器提交数据
• DELETE：删除资源
• OPTIONS：列出可对资源实行的请求方法，主要用来跨域请求
• HEAD：获取资源的元信息
• CONNECT：建立连接隧道，用于代理服务器
• TRACE：追踪请求-响应的传输路径

GET和POST的区别

1. 从缓存来说，GET会被浏览器主动缓存下来，会留下历史记录，而POST是不会的，除非手动设置。
2. GET是幂等的，POST不是。幂等指的是执行相同的操作，结果也是相同的。
3. GET参数一般放在URL中，POST放在请求体中。
4. GEt只能进行URL编码，而POST支持多种编码格式。
5. GET请求在URL传送的参数是有长度限制的，而POST是没有的。
6. GET参数的数据类型只能接收ASCII字符，而POST没有限制。
7. GET比POST更不安全，因为参数直接暴露在URL上，所以不能传递敏感信息。

URL的结构

URL请求的结构一般都是如下结构：

图 2.0 URL结构.png

Request Headers 和 Response Headers

HTTP请求的Request headers如下图：

图3.0 请求Header.png

HTTP请求的Response Headers如下图：

图 4.0 响应Header.png

Request Header的起始行为：

POST /aas.do HTTP/1.1

也就是方法 + 路径 + http版本。
content-type：指示资源的媒体类型。图中所示内容类型为html的文本类型，文字编码方式为utf-8
user-agent：用户代理，标记系统和浏览器内核
cookie：浏览器cookie
accept：通知服务器可以返回的数据类型
accept-encoding：编码算法，通常是压缩算法，可用于发送回的资源
accept-language：通知服务器预期发送回的语言类型。这是一个提示，并不一定由用户完全控制:服务器应该始终注意不要覆盖用户的显式选择(比如从下拉列表中选择语言)
conenction：链接状态
HTTP请求的Response Header：
content-encoding：用于指定压缩算法
ETag：缓存标识符
last-modified：上次内容修改的日期，为6月8号
content-type：指示资源的媒体类型。图中所示内容类型为html的文本类型，
Date：响应时间

HTTP状态码

HTTP状态码是用以表示网页服务器超文本传输协议响应状态的3位数字代码。被分为5类：

• 1xx：表示临时响应并需要请求者继续执行操作的状态码。
  100（继续）继续请求者应当继续提出请求。服务器返回此状态码表示已收到的第一部分，正在等待其余部分。
  101（切换协议）请求者已要求服务器切换协议，服务器已确认并准备切换。
• 2xx：表示成功处理的请求的状态码。
  200（成功）服务器已成功处理了请求，通常在响应体中会返回数据。
  202（接收）服务器已接受请求，但尚未处理。最终该请求也可能不会被执行，并且可能在处理发生时被禁止。
  204（无内容）含义和200相同，但响应头后没有body数据。
  206（部分内容）服务器成功处理了部分GET请求，它的使用场景为HTTP分块下载和断点续传，当然也会带上相应的响应头字段Content-Range。
• 3xx：表示要完成请求，需要进一步操作。通常这类状态用来重定向。
  301（永久移动）永久重定向。
  302（临时移动）临时重定向。
  304（未修改）从上次请求后，请求的网页未修改过。一般和客户端协商缓存返回这个状态码。
• 4xx：表示请求出错了，妨碍了服务器的处理。
  400（错误请求）表示由于明显的客户端错误（例如：格式错误的请求语法，太大的大小），服务器不能或不会处理该请求。
  401（未授权）请求要求身份验证，对于需要登录的网页，服务器可能返回此状态码。
  403（禁止）服务器禁止请求。
  404（未找到）服务器找不到请求地址的网页。
  405（不被允许）请求方法不被服务端允许。
  408（请求超时）服务器在等待请求时超时。
• 5xx：表示服务器在处理请求是发生内部错误。
  500（服务器内部错误）服务器遇到错误，无法完成请求。
  501 (尚未实施) 服务器不具备完成请求的功能。 例如，服务器无法识别请求方法时可能会返回此代码。
  502 (错误网关) 服务器作为网关或代理，从上游服务器收到无效响应。
  503 (服务不可用) 服务器目前无法使用(由于超载或停机维护)。 通常，这只是暂时状态。
  504 (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。

TCP三次握手和四次挥手

TCP需要三次握手才能建立连接，下面来看一下TCP报文头部结构：

源端口、目标端口：源iP、源端口、目标IP、目标端口组成了链接的唯一标识
序列号（Sequence number）：指的是报文段第一个字节的序列号，序列号在TCP通信过程中有两个作用：

1. 在SYN报文中交换彼此的初始序列号。
2. 保证数据包按正确的顺序组装。

确认号ACK（Acknowledgment number）：用来告知对方下一个期望接收的序列号，小于ACK的所有字节全部收到。
窗口大小（Window Size）：占用两个字节，也就是16位。TCP引入了窗口缩放的选项可以将窗口值扩大为原来的2^n次方。
校验和（Checksum）：占用两个字节，防止传输中数据包有损坏，如果遇到
校验和有差错的报文，TCP直接丢弃，等待重传。
可选项（Options）：可选项的格式为：种类（Kind）1byte + 长度（Length）1byte + 值（value）。
常用的可选项有一下几个：

• TimeStamp：TCP时间戳，后面详细介绍。
• MSS：指的是TCP允许的从对方接受的最大报文段。
• SACK：选择确认选项。
• Window Scale：窗口缩放选项。

三次握手

TCP的三次握手是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个数据包。三次握手主要是为了确认了双方的发送能力和接收能力是否正常、指定自己的初始化序列号为后面的可靠性传送做准备。
下面是三次握手的过程：

刚开始客户端和服务端都处于CLOSED状态。然后服务端会被动的进入LISTEN状态。

• 第一次握手：客户端发送SYN数据包（SYN=j）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。
• 第二次握手：服务端收到SYN数据包，必须确认客户端的SYN（ack=j+1）,同时自己也发送一个SYN数据包（SYN=k），即SYN+ACK数据包，此时服务器进入SYN——RECEIVED状态。
• 第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK数据包，向服务器发送确认数据包ACK（ack=k+1），发送完次数据包，客户端进入ESTABLISHED状态，当服务端收到客户端发送的数据包也会进入ESTABLISHED状态，至此TCP握手完成（TCP连接成功）。

三次握手的原因

在谢希仁著的《计算机网络》中有讲到三次握手的目的是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了服务端，因而产生错误，其中有这样一个例子：client发出的一个连接请求报文段因为在某个网络节点长时间逗留，而导致出现失效的报文段。当这个失效的报文段延误到连接释放以后的某个时间点才到达server。本来这是一个失效的报文段，但sever收到此失效的连接请求报文段后，就误认为是client再次发出的一个新的连接请求。于是就向client发出确认报文段，同意建立连接。假设不采用“三次握手”，那么只要server发出确认报文，就建立了新的连接。由于现在client并没有发出建立连接的请求，因此不会理财server的确认报文，也不会向server发送数据。但server却以为新的传输连接已经建立，并一直等待client发来的数据。这样，server的很多资源就白白浪费了。采用三次握手可以防止上述问题的发生。像上面这种情况，client不会向server的确认报文发出确认，server由于收不到确认报文，就知道client并没有要求建立连接。

同时在三次握手中知道也可以确认client和server的接收能力和发送能力没有问题。
在第一次握手时，client向server发送数据包，当server端接收到数据包就能确认client的发送能力。第二次握手，server发送确认数据包，client收到server的确认数据包，就能确认sever的接收能力和发送能力。第三次握手，client发送确认包，当server端收到确认包就能确认client的接收能力。