计算机网络

概述

计算机网络体系结构

五层协议模型

  • 应用层:为特定应用程序提供数据传输服务
  • 传输层:将应用层传递的报文封装成报文段(TCP)或用户数据报(UDP),为特定进程提供通用数据传输服务
  • 网络层:将传输层传递的报文段或用户数据报封装成分组,为主机提供数据传输服务
  • 数据链路层:将网络层传递的分组封装成帧,为同一链路的主机提供数据传输服务
  • 物理层:在两个网络设备之间提供透明的比特流传输,为数据链路层屏蔽传输媒体和通信手段的的差异

OSI七层协议模型

  • 表示层:数据压缩、加密以及数据描述
  • 会话层:建立及管理会话

传输层

TCP与UDP比较

  • 用户数据报协议 UDP(User Datagram Protocol)是无连接的,尽最大可能交付,没有拥塞控制,面向报文(对于应用程序传下来的报文不合并也不拆分,只是添加 UDP 首部),支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

  • 传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol)是面向连接的,提供可靠交付,有流量控制,拥塞控制,提供全双工通信,面向字节流(把应用层传下来的报文看成字节流,把字节流组织成大小不等的数据块),每一条 TCP 连接只能是点对点的(一对一)。

UDP首部格式

UDP首部格式

首部字段只有 8 个字节,包括源端口、目的端口、长度、检验和。12 字节的伪首部是为了计算检验和临时添加的。

TCP

首部格式

  • 序号 :用于对字节流进行编号,例如序号为 301,表示第一个字节的编号为 301,如果携带的数据长度为 100 字节,那么下一个报文段的序号应为 401。
  • 确认号 :期望收到的下一个报文段的序号。例如 B 正确收到 A 发送来的一个报文段,序号为 501,携带的数据长度为 200 字节,因此 B 期望下一个报文段的序号为 701,B 发送给 A 的确认报文段中确认号就为 701。
  • 数据偏移 :指的是数据部分距离报文段起始处的偏移量,实际上指的是首部的长度。
  • 确认 ACK :当 ACK=1 时确认号字段有效,否则无效。TCP 规定,在连接建立后所有传送的报文段都必须把 ACK 置 1。
  • 同步 SYN :在连接建立时用来同步序号。当 SYN=1,ACK=0 时表示这是一个连接请求报文段。若对方同意建立连接,则响应报文中 SYN=1,ACK=1。
  • 终止 FIN :用来释放一个连接,当 FIN=1 时,表示此报文段的发送方的数据已发送完毕,并要求释放连接。
  • 窗口 :窗口值作为接收方让发送方设置其发送窗口的依据。之所以要有这个限制,是因为接收方的数据缓存空间是有限的。

三次握手

假设A为客户端,B为服务器端:

  • 首先 B 处于 LISTEN(监听)状态,等待客户的连接请求。
  • A 向 B 发送连接请求报文,SYN=1,ACK=0,选择一个初始的序号 x。
  • B 收到连接请求报文,如果同意建立连接,则向 A 发送连接确认报文,SYN=1,ACK=1,确认号为 x+1,同时也选择一个初始的序号 y。
  • A 收到 B 的连接确认报文后,还要向 B 发出确认,确认号为 y+1,序号为 x+1。
  • B 收到 A 的确认后,连接建立。

三次握手原因

第三次握手是为了防止失效的连接请求到达服务器,让服务器错误打开连接。

客户端发送的连接请求如果在网络中滞留,那么就会隔很长一段时间才能收到服务器端发回的连接确认。客户端等待一个超时重传时间之后,就会重新请求连接。但是这个滞留的连接请求最后还是会到达服务器,如果不进行三次握手,那么服务器就会打开两个连接。如果有第三次握手,客户端会忽略服务器之后发送的对滞留连接请求的连接确认,不进行第三次握手,因此就不会再次打开连接。

四次挥手

省略对序号、确认号以及ACK的描述:

  • A 发送连接释放报文,FIN=1。
  • B 收到之后发出确认,此时 TCP 属于半关闭状态,B 能向 A 发送数据但是 A 不能向 B 发送数据。
  • 当 B 不再需要连接时,发送连接释放报文,FIN=1。
  • A 收到后发出确认,进入 TIME-WAIT 状态,等待 2 MSL(最大报文存活时间)后释放连接。
  • B 收到 A 的确认后释放连接。

四次挥手的原因

客户端发送了 FIN 连接释放报文之后,服务器收到了这个报文,就进入了CLOSE-WAIT 状态。这个状态是为了让服务器端发送还未传送完毕的数据,传送完毕之后,服务器会发送 FIN 连接释放报文。

等待2MSL的原因

客户端接收到服务器端的 FIN 报文后进入TIME-WAIT状态,此时并不是直接进入 CLOSED 状态,还需要等待一个时间计时器设置的时间 2MSL。这么做有两个理由:

  • 确保最后一个确认报文能够到达。如果 B 没收到 A 发送来的确认报文,那么就会重新发送连接释放请求报文,A 等待一段时间就是为了处理这种情况的发生。
  • 等待一段时间是为了让本连接持续时间内所产生的所有报文都从网络中消失,使得下一个新的连接不会出现旧的连接请求报文。

可靠传输

TCP 使用超时重传来实现可靠传输:如果一个已经发送的报文段在超时时间内没有收到确认,那么就重传这个报文段。

  • 超时时间:通过加权平均往返时间计算获得
  • 往返时间:一个报文段从发送再到接收到确认所经过的时间

滑动窗口

窗口是缓存的一部分,用来暂时存放字节流。发送方和接收方各有一个窗口,接收方通过 TCP 报文段中的窗口字段告诉发送方自己的窗口大小,发送方根据这个值和其它信息设置自己的窗口大小。

发送窗口内的字节都允许被发送,接收窗口内的字节都允许被接收。如果发送窗口左部的字节已经发送并且收到了确认,那么就将发送窗口向右滑动一定距离,直到左部第一个字节不是已发送并且已确认的状态;接收窗口的滑动类似,接收窗口左部字节已经发送确认并交付主机,就向右滑动接收窗口。

接收窗口只会对窗口内最后一个按序到达的字节进行确认,例如接收窗口已经收到的字节为 {31, 34, 35},其中 {31} 按序到达,而 {34, 35} 就不是,因此只对字节 31 进行确认。发送方得到一个字节的确认之后,就知道这个字节之前的所有字节都已经被接收。

流量控制

  • 目的:为了控制发送方发送速率,保证接收方来得及接收。
  • 方法:接收方发送的确认报文中的窗口字段可以用来控制发送方窗口大小,从而影响发送方的发送速率。将窗口字段设置为 0,则发送方不能发送数据。

拥塞控制

如果网络出现拥塞,分组将会丢失,此时发送方会继续重传,从而导致网络拥塞程度更高。因此当出现拥塞时,应当控制发送方的速率。这一点和流量控制很像,但是出发点不同。流量控制是为了让接收方能来得及接收,而拥塞控制是为了降低整个网络的拥塞程度。

发送方需要维护一个叫做拥塞窗口(cwnd)的状态变量,注意拥塞窗口与发送方窗口的区别:拥塞窗口只是一个状态变量,实际决定发送方能发送多少数据的是发送方窗口。

为了便于讨论,做如下假设:

  • 接收方有足够大的接收缓存,因此不会发生流量控制;
  • 虽然 TCP 的窗口基于字节,但是这里设窗口的大小单位为报文段。

慢开始与拥塞避免

发送的最初执行慢开始,令 cwnd = 1,发送方只能发送 1 个报文段;当收到确认后,将 cwnd 加倍,因此之后发送方能够发送的报文段数量为:2、4、8 …

注意到慢开始每个轮次都将 cwnd 加倍,这样会让 cwnd 增长速度非常快,从而使得发送方发送的速度增长速度过快,网络拥塞的可能性也就更高。设置一个慢开始门限 ssthresh,当 cwnd >= ssthresh 时,进入拥塞避免,每个轮次只将 cwnd 加 1。

如果出现了超时,则令 ssthresh = cwnd / 2,然后重新执行慢开始。

快重传与快恢复

在接收方,要求每次接收到报文段都应该对最后一个已收到的有序报文段进行确认。例如已经接收到 M1 和 M2,此时收到 M4,应当发送对 M2 的确认。

在发送方,如果收到三个重复确认,那么可以知道下一个报文段丢失,此时执行快重传,立即重传下一个报文段。例如收到三个 M2,则 M3 丢失,立即重传 M3。

在这种情况下,只是丢失个别报文段,而不是网络拥塞。因此执行快恢复,令 ssthresh = cwnd / 2 ,cwnd = ssthresh,注意到此时直接进入拥塞避免。

慢开始和快恢复的快慢指的是 cwnd 的设定值,而不是 cwnd 的增长速率。慢开始 cwnd 设定为 1,而快恢复 cwnd 设定为 ssthresh。

应用层

HTTP

请求报文

响应报文

HTTP方法

客户端发送的 请求报文 第一行为请求行,包含了方法字段。

方法 作用 描述
GET 获取资源 当前网络请求中,绝大部分使用的方法
POST 传输实体主体 POST 主要用来传输数据,而 GET 主要用来获取资源
HEAD 获取报文头部 和 GET 方法类似,但是不返回报文实体主体部分。主要用于确认 URL 的有效性以及资源更新的日期时间等
PUT 上传文件 由于自身不带验证机制,任何人都可以上传文件,因此存在安全性问题,一般不使用该方法
DELETE 删除文件 与 PUT 功能相反,并且同样不带验证机制
PATCH 对资源进行部分修改 PUT 也可以用于修改资源,但是只能完全替代原始资源,PATCH 允许部分修改
OPTIONS 查询支持的方法 查询指定的 URL 能够支持的方法。会返回 Allow: GET, POST, HEAD, OPTIONS 这样的内容
CONNECT 要求与代理服务器连接时建立隧道 使用 SSL(Secure Sockets Layer,安全套接层)和TLS(Transport Layer Security,传输层安全)协议把通信内容加密后经网络隧道传输
TRACE 追踪路径 服务器会将通信路径返回给客户端。发送请求时,在 Max-Forwards 首部字段中填入数值,每经过一个服务器就会减 1,当数值为 0 时就停止传输。通常不会使用 TRACE,并且它容易受到 XST 攻击

HTTP状态码

服务器返回的 响应报文 中第一行为状态行,包含了状态码以及原因短语,用来告知客户端请求的结果。

状态码 类别 含义
1XX Informational(信息性状态码 接收的请求正在处理
2XX Success(成功状态码) 请求正常处理完毕
3XX Redirection(重定向状态码) 需要进行附加操作以完成请求
4XX Client Error(客户端错误状态码) 服务器无法处理请求
5XX Server Error(服务器错误状态码) 服务器处理请求出错

1XX 信息

  • 100 Continue :表明到目前为止都很正常,客户端可以继续发送请求或者忽略这个响应。

2XX 成功

  • 200 OK
  • 204 No Content :请求已经成功处理,但是返回的响应报文不包含实体的主体部分。一般在只需要从客户端往服务器发送信息,而不需要返回数据时使用。
  • 206 Partial Content :表示客户端进行了范围请求,响应报文包含由 Content-Range 指定范围的实体内容。

3XX 重定向

  • 301 Moved Permanently :永久性重定向
  • 302 Found :临时性重定向
  • 303 See Other :和 302 有着相同的功能,但是 303 明确要求客户端应该采用 GET 方法获取资源。
  • 304 Not Modified :如果请求报文首部包含一些条件,例如:If-Match,If-Modified-Since,If-None-Match,If-Range,If-Unmodified-Since,如果不满足条件,则服务器会返回 304 状态码。
  • 307 Temporary Redirect :临时重定向,与 302 的含义类似,但是 307 要求浏览器不会把重定向请求的 POST 方法改成 GET 方法。

注:虽然 HTTP 协议规定 301、302 状态下重定向时不允许把 POST 方法改成 GET 方法,但是大多数浏览器都会在 301、302 和 303 状态下的重定向把 POST 方法改成 GET 方法。

4XX 客户端错误

  • 400 Bad Request :请求报文中存在语法错误。
  • 401 Unauthorized :该状态码表示发送的请求需要有认证信息(BASIC 认证、DIGEST 认证)。如果之前已进行过一次请求,则表示用户认证失败。
  • 403 Forbidden :请求被拒绝。
  • 404 Not Found

5XX 服务器错误

  • 500 Internal Server Error :服务器正在执行请求时发生错误。
  • 503 Service Unavailable :服务器暂时处于超负载或正在进行停机维护,现在无法处理请求。

HTTP首部字段

有 4 种类型的首部字段:通用首部字段、请求首部字段、响应首部字段和实体首部字段。各种首部字段及其含义如下(不需要全记,仅供查阅):

通用首部字段

首部字段名 说明
Cache-Control 控制缓存的行为
Connection 控制不再转发给代理的首部字段、管理持久连接
Date 创建报文的日期时间
Pragma 报文指令
Trailer 报文末端的首部一览
Transfer-Encoding 指定报文主体的传输编码方式
Upgrade 升级为其他协议
Via 代理服务器的相关信息
Warning 错误通知

请求首部字段

首部字段名 说明
Accept 用户代理可处理的媒体类型
Accept-Charset 优先的字符集
Accept-Encoding 优先的内容编码
Accept-Language 优先的语言(自然语言)
Authorization Web 认证信息
Expect 期待服务器的特定行为
From 用户的电子邮箱地址
Host 请求资源所在服务器
If-Match 比较实体标记(ETag)
If-Modified-Since 比较资源的更新时间
If-None-Match 比较实体标记(与 If-Match 相反)
If-Range 资源未更新时发送实体 Byte 的范围请求
If-Unmodified-Since 比较资源的更新时间(与 If-Modified-Since 相反)
Max-Forwards 最大传输逐跳数
Proxy-Authorization 代理服务器要求客户端的认证信息
Range 实体的字节范围请求
Referer 对请求中 URI 的原始获取方
TE 传输编码的优先级
User-Agent HTTP 客户端程序的信息

响应首部字段

首部字段名 说明
Accept-Ranges 是否接受字节范围请求
Age 推算资源创建经过时间
ETag 资源的匹配信息
Location 令客户端重定向至指定 URI
Proxy-Authenticate 代理服务器对客户端的认证信息
Retry-After 对再次发起请求的时机要求
Server HTTP 服务器的安装信息
Vary 代理服务器缓存的管理信息
WWW-Authenticate 服务器对客户端的认证信息

实体首部字段

首部字段名 说明
Allow 资源可支持的 HTTP 方法
Content-Encoding 实体主体适用的编码方式
Content-Language 实体主体的自然语言
Content-Length 实体主体的大小
Content-Location 替代对应资源的 URI
Content-MD5 实体主体的报文摘要
Content-Range 实体主体的位置范围
Content-Type 实体主体的媒体类型
Expires 实体主体过期的日期时间
Last-Modified 资源的最后修改日期时间

连接管理

短连接与长连接

当浏览器访问一个包含多张图片的 HTML 页面时,除了请求访问 HTML 页面资源,还会请求图片资源。如果每进行一次 HTTP 通信就要新建一个 TCP 连接,那么开销会很大。而长连接只需要建立一次 TCP 连接就能进行多次 HTTP 通信

  • 从 HTTP/1.1 开始默认是长连接的,如果要断开连接,需要由客户端或者服务器端提出断开,使用Connection : close
  • 在 HTTP/1.1 之前默认是短连接的,如果需要使用长连接,则使用Connection : Keep-Alive

流水线

默认情况下,HTTP 请求是按顺序发出的,下一个请求只有在当前请求收到响应之后才会被发出。由于会受到网络延迟和带宽的限制,在下一个请求被发送到服务器之前,可能需要等待很长时间。

流水线是在同一条长连接上发出连续的请求,而不用等待响应返回,这样可以避免连接延迟。

DNS

DNS 是一个分布式数据库,提供了主机名和 IP 地址之间相互转换的服务。这里的分布式数据库是指:每个站点只保留它自己的那部分数据。

域名具有层次结构,从上到下依次为:根域名、顶级域名、二级域名。

DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 进行传输,使用的端口号都为 53。大多数情况下 DNS 使用 UDP 进行传输,这就要求域名解析器和域名服务器都必须自己处理超时和重传来保证可靠性。在两种情况下会使用 TCP 进行传输:

  • 如果返回的响应超过的 512 字节(UDP 最大只支持 512 字节的数据)。
  • 区域传送(区域传送是主域名服务器向辅助域名服务器传送变化的那部分数据)。

DNS查询方式

  • 本地查询:本地DNS客户端程序首先使用本地DNS缓存解析,如果能解析则直接应答
  • 直接查询:如果不能从本地DNS缓存中解析则会向局部DNS服务器发送查询请求
  • 递归查询:如果局部DNS无法解析客户端请求时,局部DNS服务器自己负责向其他DNS服务器进行查询,一般是先向该域名的根域服务器查询,再由根域名服务器一级级向下查询。最后得到的查询结果返回给局部DNS服务器,再由局部DNS服务器返回给客户端
  • 迭代查询:如果局部DNS无法解析客户端请求时,也可选择使用迭代查询的方式,将能解析该域名的其他DNS服务器的IP地址返回给客户端DNS程序,客户端DNS程序再继续向这些DNS服务器进行查询,直到得到查询结果为止。

转载自(稍加修改):https://github.com/CyC2018/CS-Notes