计算机网络

常见的网络协议

网络接口层

• 数据帧的封装/解封装（添加/移除MAC地址）
• 物理寻址（MAC地址）
• 错误检测（如CRC校验）
• 数据链路控制（如以太网、PPP协议）

网络层

IP：定义数据包的格式、对数据包进行路由和寻址，以便它们可以跨网络传播并到达正确的目的地。目前 IP 协议主要分为两种，一种是 IPv4，另一种是较新的 IPv6

ARP：解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题

ICMP：用于传输网络状态和错误消息的协议，常用于网络诊断和故障排除，ping工具

NAT、OSPF、RIP、BGP

传输层

TCP UDP 端口寻址、流量控制、拥塞控制、数据分段

应用层

HTTP SMTP POP3 FTP（基于TCP协议）SSH（基于TCP协议）DNS（基于UDP协议）

Ping命令原理

1. DNS 解析（如果目标是域名）
   • 如果 ping 的目标是域名（如 www.example.com），系统会先通过 DNS 查询 获取其 IP 地址。
   • 如果目标是 IP 地址（如 ping 8.8.8.8），则跳过 DNS 解析。
2. 构造 ICMP Echo Request
   • 操作系统生成一个 ICMP Echo Request 报文，填充目标 IP 地址、标识符、序列号等。
3. 发送 ICMP 报文
   • 通过 IP 层 封装 ICMP 报文，并通过 网络接口 发送出去。
4. 等待 ICMP Echo Reply
   • 目标主机收到 ICMP Echo Request 后，如果可达，会返回 ICMP Echo Reply。
   • 如果目标主机不可达（如宕机、防火墙阻止 ICMP），则不会返回响应。
5. 计算 RTT 并显示结果

DNS的流程

DNS是为了通过域名获取IP地址

1. 检查本地缓存
2. 向本地DNS服务器发起查询（递归查询）
3. 如果本地DNS服务器没有，向根域名服务器发送迭代查询
4. 本地 DNS 服务器将 IP 地址返回给客户端（浏览器），并缓存该记录（以便下次查询更快）

递归查询 和 迭代查询，它们的核心区别在于 查询责任 和 查询过程 的不同，DNS 服务器 只返回它能提供的最佳答案，不保证能查到；客户端（或本地 DNS 服务器）向 DNS 服务器发起请求，要求 直接返回最终结果（IP 地址）

输入URL到打开网页全流程

• 在浏览器中输入指定网页的 URL
• 浏览器通过 DNS 协议，获取域名对应的 IP 地址
• 浏览器根据 IP 地址和端口号，向目标服务器发起一个 TCP 连接请求
• 浏览器在 TCP 连接上，向服务器发送一个 HTTP 请求报文，请求获取网页的内容
• 服务器收到 HTTP 请求报文后，处理请求，并返回 HTTP 响应报文给浏览器
• 浏览器收到 HTTP 响应报文后，解析响应体中的 HTML 代码，渲染网页的结构和样式，同时根据 HTML 中的其他资源的 URL（如图片、CSS、JS 等），再次发起 HTTP 请求，获取这些资源的内容，直到网页完全加载显示
• 浏览器在不需要和服务器通信时，可以主动关闭 TCP 连接，或者等待服务器的关闭请求

拥塞控制

• 慢启动：每当接收到一个ACK确认包，cwnd值就会增加。具体来说，cwnd在每个RTT（Round-Trip Time）内呈指数级增长，直到达到一个阈值（ssthresh），进入拥塞避免阶段；
• 拥塞避免：当cwnd达到ssthresh时，窗口增长由指数级转为线性增长，每个RTT内cwnd增加一个MSS；
• 快速重传：如果发送方连续收到三个相同的ACK确认包，意味着可能有一个数据包丢失，发送方将立即重传该丢失的数据包，而不需要等待超时；
• 快速恢复：在收到三个重复ACK后，cwnd将减半，而不是重置为1 MSS，并进入拥塞避免阶段，而不是重新进入慢启动。

滑动窗口&停止等待协议

滑动窗口：允许发送方在未收到确认（ACK）的情况下连续发送多个数据包，从而提高网络传输效率，同时避免接收方缓冲区溢出。

发送窗口：发送方可以发送但尚未确认的数据范围

接收窗口：接收方当前可用的缓冲区空间，用于告知发送方还能接收多少数据

停止等待协议：每发一个数据包，必须等待 ACK，效率低。

TCP 和 UDP 的区别

1. TCP面向连接，UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
2. TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达，UDP尽最大努力交付，即不保 证可靠交付
3. TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流；UDP是面向报文的 UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
4. 每一条TCP连接只能是点到点的；UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
5. TCP首部开销20字节，UDP的首部开销小，只有8个字节
6. TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

TCP如何实现可靠传输

确认、重传、流量控制、拥塞控制

确认：接收方收到数据后，向发送方发送ACK，ACK号表示笑一个期望收到的字节序号

重传：发送方没有收到ACK或者收到三次重复的ACK，认为数据丢失，重传；（超时重传和快速重传）

流量控制：接收方通过 TCP 头部窗口字段告知发送方剩余缓冲区大小

拥塞控制

http过程，和https区别

TLS握手（加密通信）

一个局域网A和B两个主机文件传输

A和B之间不知道对方的IP

1. 主机A通过广播或组播发送一个请求消息（例如包含文件名或唯一标识符），询问是否有主机B愿意接收文件。
2. 主机B监听广播/组播消息，收到后回复自己的IP地址给主机A。
3. 主机A和主机B建立直接连接（如通过TCP/UDP）传输文件

一个数据包完整的传输过程

数据包传输的完整过程

应用层：定义应用程序如何通信（如 HTTP、HTTPS、FTP、DNS）

HTTP/HTTPS：如果你访问网页，浏览器会通过 HTTP（明文）或 HTTPS（加密）发送请求。

DNS：如果访问域名（如 example.com），需要先通过 DNS 查询获取 IP 地址。

传输层：提供端到端的通信，确保数据可靠传输（或快速传输）。

协议示例：TCP（传输控制协议）：面向连接，可靠传输（如网页、文件下载），UDP（用户数据报协议）：无连接，适用于实时应用（如视频流、在线游戏）。

网络层：负责数据包的路由和寻址（IP 地址）

IP：IPv4 或 IPv6，负责数据包的寻址和路由。

ICMP：用于网络诊断（如 ping）。

数据链路层：在相邻节点间传输数据帧，处理 MAC 地址，ARP，将 IP 地址解析为 MAC 地址。

物理层：通过物理介质（如电缆、光纤、无线电波）传输比特流。

三次握手&四次挥手

利用linux下的natstate可以看tcp的状态

• 一次握手:客户端发送带有 SYN（SEQ=x） 标志的数据包 -> 服务端，然后客户端进入 SYN_SEND 状态，等待服务端的确认；
• 二次握手:服务端发送带有 SYN+ACK(SEQ=y,ACK=x+1) 标志的数据包 –> 客户端,然后服务端进入SYN_RECV状态；
• 三次握手:客户端发送带有 ACK(ACK=y+1) 标志的数据包 –> 服务端，然后客户端和服务端都进入ESTABLISHED 状态，完成 TCP 三次握手

SYN携带序列号完成客户端和服务端数据包排号的同步

断开一个 TCP 连接则需要“四次挥手”，缺一不可

1. 第一次挥手：客户端发送一个 FIN（SEQ=x） 标志的数据包->服务端，用来关闭客户端到服务端的数据传送。然后客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。
2. 第二次挥手：服务端收到这个 FIN（SEQ=X） 标志的数据包，它发送一个 ACK （ACK=x+1）标志的数据包->客户端 。然后服务端进入CLOSE-WAIT状态，客户端进入FIN-WAIT-2状态。
3. 第三次挥手：服务端发送一个 FIN (SEQ=y)标志的数据包->客户端，请求关闭连接，然后服务端进入 LAST-ACK 状态。
4. 第四次挥手：客户端发送 ACK (ACK=y+1)标志的数据包->服务端，然后客户端进入TIME-WAIT状态，服务端在收到 ACK (ACK=y+1)标志的数据包后进入 CLOSE 状态。此时如果客户端等待2MSL后依然没有收到回复，就证明服务端已正常关闭，随后客户端也可以关闭连接了

在TCP四次挥手中，主动关闭方（如客户端）发送最后一个 FIN后，会进入 TIME_WAIT状态，并等待对方的 ACK确认，如果对方未收到 ACK（例如ACK丢失），对方会重传 FIN。此时若主动关闭方已关闭连接，将无法响应重传的 FIN，导致对方无法正常关闭，等待2MSL的时间足够让重传的 FIN到达

子网划分/子网掩码

需要留出网络位和广播位

IO多路复用

• 传统阻塞IO：每个连接一个线程/进程，资源消耗大
• IO多路复用：一个线程监听多个IO事件（如socket可读、可写），减少线程/进程数量，提高并发能力

http对称加密

• HTTP
  • 明文传输：数据以普通文本形式传输，容易被窃听、篡改或中间人攻击（如劫持流量、注入恶意内容）。
  • 无加密：敏感信息（如密码、支付信息）直接暴露在传输过程中。
• HTTPS
  • 加密传输：通过 SSL/TLS 协议对数据进行加密，即使被截获也无法直接读取内容。
  • 身份验证：服务器通过数字证书验证身份，防止伪装成合法网站（如钓鱼攻击）

非对称加密速度太慢，堆成加密无法完成密钥交换

通过非对称加密实现身份验证和密钥交换，又保证了传输效率通过对称加密处理实际数据

GET：幂等（可以缓存） POST：非幂等（不可缓存）