本文是在阅读JavaGuide关于计算机网络相关内容时的个人整理；

请移步：https://javaguide.cn/cs-basics/network/osi-and-tcp-ip-model.html

OSI七层模型

很清晰、理论完整，但是太复杂且不适用，所以更多使用tcp/ip协议

  1. 应用层：为用户提供了与网络进行交互的接口；
  2. 表示层：进行一些数据处理，例如加密解密、编码解码、压缩和解压缩
  3. 会话层：管理应用程序之间的会话
  4. 传输层：为会话之间的通信提供可靠的数据传输
  5. 网络层：IP数据包在传输时的路由和寻址
  6. 链路层：对数据帧进行编码、对传输的误差进行纠正
  7. 物理层：传输比特流数据

TCP/IP四层模型

应用层

应用层：以报文为数据单元，使得应用程序之间进行信息交换

常见协议：

基于TCP

  • HTTP协议(HTTPs)：基于 TCP 协议，是一种用于传输超文本和多媒体内容的协议，为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的
  • Websocket协议：客户端和服务端可以同时发送或接收，基于 TCP 连接的全双工通信，通过心跳机制来保持 WebSocket 连接的稳定性和活跃性
  • SMTP协议（简单邮件传输(发送)协议）、IMAP/POP3协议（负责邮件接收的协议）
  • FTP协议：文件传输，使用两条tcp连接，一条用于传输控制信息，一条用于数据传送；不安全，SFTP安全
  • SSH协议：通过加密和认证机制实现安全的访问和文件传输等业务；Telnet协议：用于终端登录服务器，明文传输不安全

基于UDP

  • RTP协议⚠️、WebRTC⚠️

传输层

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协议的三次握手和四次挥手：面向连接的、可靠的

UDP协议：无连接的、尽力的

网络层

网络层：网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务

封装成IP数据包，解析IP地址，选择合适的路由

常见协议：IP协议（定义数据包的格式、对数据包进行路由和寻址）、ARP协议（网络层地址和链路层地址之间的转换问题）、NAT协议（网络地址转换，内部网到外部网）、ICMP协议⚠️、OSPF协议⚠️、RIP协议⚠️

网络接口层

网络接口层：把IP数据包组装成帧，并在相邻计算机节点之间传输比特流，并提供差错检测和修复等等

HTTP相关

HTTP1.0和1.1

  1. 缓存：见缓存
  2. 长连接和短连接：HTTP1.0使用短连接，每次HTTP操作都需要建立tcp连接，会导致握手挥手报文大量占据带宽；长连接可以设置超时时间，减少保持tcp连接的资源浪费。
  3. Host头处理⚠️
  4. 带宽优化：加入Range头部，可以请求**数据(只能是字节型)**的一部分，支持断点续传，例如下载文件到一半
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
# 请求：获取一个文件的前 1024 个字节
GET /z4d4kWk.jpg HTTP/1.1
Host: i.imgur.com
Range: bytes=0-1023

# 相应：206状态码
HTTP/1.1 206 Partial Content
Content-Range: bytes 0-1023/146515
Content-Length: 1024
…
（二进制内容）

HTTP和HTTPS

  1. HTTP(明文传输, 没有状态)：默认端口80，规范浏览器和服务器端的行为。传输的都是明文，不安全。

    无状态(stateless)协议，服务器不维护任何有关客户端过去所发请求的消息，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。

  2. HTTPS(加密传输, 证书认证)：默认端口号是 443。额外使用 SSL/TLS 协议用作加密和安全认证。

先使用非对称加密传输对称加密的密钥，来保证密钥的安全性；再进行对称加密的通信。

可能会存在以下使用诈包的攻击手段，所以服务器得进行第三方实名认证，这个就是证书(CA, Certificate Authority)的作用

诈包攻击

图源：JavaGuide

HTTP缓存

强制缓存

强制缓存优先于协商缓存进行

  1. HTTP1.0使用Expires，它存储一个过期时间，如果在这个时间内就说明缓存有效，但是依赖于浏览器时间

  2. HTTP1.1使用cache-control字段，有6个字段，常用的是max-age表示缓存的有效时间，例如Cache-Control: max-age=10

cache-control字段：

  • max-age决定客户端资源被缓存多久。
  • s-maxage决定代理服务器缓存的时长。
  • no-cache表示是强制进行协商缓存。
  • no-store是表示禁止任何缓存策略。
  • public表示资源即可以被浏览器缓存也可以被代理服务器缓存。
  • private表示资源只能被浏览器缓存。

协商缓存

需要向服务器发起请求进行协商，由服务器决定是否使用缓存

  1. HTTP1.0使用Last-Modified / If-Modified-Since

If-Modified-Since是客户端再次发起该请求时，携带上次请求返回的Last-Modified值，通过此字段值告诉服务器该资源上次请求返回的最后被修改时间。服务器收到该请求，发现请求头含有If-Modified-Since字段，则会根据If-Modified-Since的字段值与该资源在服务器的最后被修改时间做对比，若服务器的资源最后被修改时间大于If-Modified-Since的字段值，则重新返回资源，状态码为200；否则则返回304，代表资源无更新，可继续使用缓存文件；

  1. HTTP1.1使用Etag / If-None-Match

If-None-Match是客户端再次发起该请求时，携带上次请求返回的唯一标识Etag值，通过此字段值告诉服务器该资源上次请求返回的唯一标识值。服务器收到该请求后，发现该请求头中含有If-None-Match，则会根据If-None-Match的字段值与该资源在服务器的Etag值做对比，一致则返回304，代表资源无更新，继续使用缓存文件；不一致则重新返回资源文件，状态码为200；

常见状态码

  1. 1xx(临时响应)：表示临时响应并需要请求者继续执行操作的状态码。

101：切换协议，切换到更高级的协议，例如HTTP新版

  1. 2xx(成功)：表示成功处理了请求的状态码。

201：请求成功创建一个或多个新的资源

204：请求成功，但没有结果返回（不看重请求结果，只关心是否完成）

206：请求一部分资源，成功响应一部分资源（HTTP1.1断点续传）

  1. 3xx(重定向)：要完成请求，需要进一步操作。通常，这些状态码用来重定向。

301：Moved Permanently，资源被永久重定向。比如网站的网址被更换。

  1. 4xx(客户端请求错误)

400 Bad Request：发送的 HTTP 请求存在问题。比如请求参数不合法、请求方法错误。

401 Unauthorized：未认证却请求需要认证之后才能访问的资源。

403 Forbidden：直接拒绝 HTTP 请求，不处理。一般用来针对非法请求。

404 Not Found：你请求的资源未在服务端找到。比如你请求某个用户的信息，服务端并没有找到指定的用户。

409 Conflict：表示请求的资源与服务端当前的状态存在冲突，请求无法被处理。

  1. 5xx(服务器错误)

500 Internal Server Error：服务端出问题了（通常是服务端出 Bug 了）。比如你服务端处理请求的时候突然抛出异常，但是异常并未在服务端被正确处理。

502 Bad Gateway：我们的网关将请求转发到服务端，但是服务端返回的却是一个错误的响应，即网关正常运行，但是网关得到的响应是错误的。

TCP相关

可靠性保证

  1. 基于数据块传输：分割成数据块（报文段）再给网络层，网络层也可能进一步分割再形成ip数据包；
  2. 报文段序列号可以用来重新排序和去重；
  3. 报文段包含首部和数据，接收后会进行校验和，确保数据没有发生差错；
  4. 流量控制和拥塞控制

访问网页的全过程

  1. DNS解析，得到IP地址
  2. 根据IP地址建立TCP连接
  3. 在TCP连接上发送HTTP请求报文
  4. 服务器处理请求，返回HTTP响应
  5. 解析响应体中HTML代码并渲染
  6. 对HTML中其他需要的资源再次发起请求
  7. 可以主动关闭TCP连接，或等待服务器关闭

ARQ协议

  1. 停止等待ARQ协议（这个没有用到滑动窗口协议）

每发完一个数据包就停止发送，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数据包。

1.1. 发送的数据包丢了：设置一个定时器，自动重传；

1.2. 确认信息丢了or迟到：发送方没收到确认信息，重传，重复的信息直接丢弃。

  1. 连续ARQ协议（引入滑动窗口），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。

2.1. 接收方累计确认（对最后一个数据包发送确认），信道利用率高；

2.2. 滑动窗口中间某个丢了，需要把丢失的后续都传一遍，即Go-Back-N。

重传机制

⚠️参考：知乎专栏

流量控制

  • 为了控制发送方发送速率，接收方来得及接收和处理；客户端和服务端各自维护发送窗口和接收窗口

  • 滑动窗口：针对报文段的划分方式，大小是根据接收端处理数据的速度动态调整的；tcp三次握手的时候会协调出窗口的大小

为什么这种机制能做到流量控制？为发送和确认的异步性提供了缓冲（又快又慢）

  1. 快：不仅得发送，还得确认接受，这样就不用阻塞在等待确认上了，可以先发送多个然后一起等待确认；
  2. 慢：如果一直不确认累积一定数目，就会不发送；只有确认才能让滑动窗口移动；

滑动窗口

图源：JavaGuide

拥塞控制

防止过多的数据注入到网络中，维护一个拥塞窗口cwnd，在实际使用中会选取滑动窗口和拥塞窗口的最小值

慢开始和拥塞避免

tcp协议在一开始发送数据时，会让拥塞窗口从小到大倍数增长，即每经过一个传播轮次RTT，cwnd加倍；

但是后续不可能增大这么快，所以等到达阈值后，会使用每经过一个传播轮次RTT，cwnd+1的方式；

快重传和快恢复

FRR-fast retransmit and recovery

  1. 如果没有 FRR，当数据包丢失了，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。
  2. 有了 FRR，当接收机接收到一个不按顺序的数据段（例如接收了1 3），它会立即给发送机发送一个重复确认（此时依然正常接收其他数据包，例如接收1 3 4）。如果发送机接收到三个重复确认（如果是1个，可能把网络延迟给误判成丢包了），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。
  3. 快重传：指接收方接收到三个重复确认，此时立即重传对应序列的报文段；
  4. 快恢复：发生快重传时，把阈值ssthresh、拥塞窗口cwnd都缩小到当前cwnd的一半，并切换到拥塞避免算法（每经过一个传播轮次RTT，cwnd+1）

image-20250111181016426

图源：王道考研

三次握手

先总说：1. 客户端发送数据包等待服务端确认，2. 服务端确认的同时，也需要客户端确认能否收到自己的数据；3. 客户端确认能收到服务端的数据

  • 第一次握手，发送端首先发送一个带SYN（synchronize）标志的数据包给接收方，第一次的seq序列号是随机产生的，这样是为了网络安全，如果不是随机产生初始序列号，黑客将会以很容易的方式获取到你与其他主机之间的初始化序列号，并且伪造序列号进行攻击

  • 第二次握手，接收端收到后，回传一个带有SYN/ACK（acknowledgement）标志的数据包以示传达确认信息；SYN 是为了告诉发送端，发送方到接收方的通道没问题；ACK 用来验证接收方到发送方的通道没问题

  • 第三次握手，发送端再回传一个带ACK标志的数据包，代表握手结束，若在握手某个过程中某个阶段莫名中断，TCP协议会再次以相同的顺序发送相同的数据包

三次握手

图源：稀土掘金

四次挥手

  • 客户端发送一个 FIN，用来关闭服务端到客户端的数据传送

  • 服务端收到这个 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

  • 服务端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

四次挥手

图源：稀土掘金

问题：为什么不能把服务端发送的 ACK 和 FIN 合并起来，变成三次挥手？

因为服务端收到客户端断开连接的请求时，可能还有一些数据没有发完，这时先回复 ACK，表示接收到了断开连接的请求。等到数据发完之后再发 FIN，断开服务端到客户端的数据传送。