前端面试--计算机网络知识总结

我不是女神ヾ 2022-10-29 14:27 214阅读 0赞

### 计算机网络知识总结 ###

*  第七层----应用层
 *   *  HTTP协议
     *   *  HTTP 请求报文
         *  HTTP 响应报文
     *  HTTPS 简介
     *  TLS 握手过程
     *   *  实现原理
         *  加密方式
         *   *  解决传输数据安全问题的办法
     *  DNS 协议
     *   *  域名的层级结构
         *  DNS查询过程
         *  DNS 记录和报文
         *  递归查询和迭代查询
         *  DNS 缓存
         *  DNS 实现负载平衡
 *  第四层----传输层
 *   *  多路复用与多路分解
     *  UDP 协议
     *   *  UDP 报文段结构
         *  TCP 协议
         *  TCP 报文段结构
         *  TCP 三次握手的过程
         *  TCP 四次挥手的过程
 *  第三层----网络层
 *  第二层----数据链路层
 *  第一层----物理层

# 第七层----应用层 #

应用层协议定义了应用进程间的交互和通信规则，不同主机的应用进程间如何相互传递报文，比如传递的报文的类型、格式、 有哪些字段等等。

## HTTP协议 ##

HTTP 是超文本传输协议，它定义了客户端和服务器之间交换报文的格式和方式，默认使用 80 端口。它使用 TCP 作为传 输层协议，保证了数据传输的可靠性。

HTTP 是一个无状态的协议，HTTP 服务器不会保存关于客户的任何信息。

HTTP 有两种连接模式，一种是持续连接，一种非持续连接。

非持续连接指的是服务器必须为每一个请求的对象建立和维护 一个全新的连接。持续连接下，TCP 连接默认不关闭，可以被多个请求复用。

采用持续连接的好处是可以避免每次建立 TCP 连接三次握手时所花费的时间。在 HTTP1.0 以前使用的非持续的连接，但是可以在请求时，加上 Connection: keep-a live 来要求服务器不要关闭 TCP 连接。HTTP1.1 以后默认采用的是持续的连接。目前对于同一个域，大多数浏览器支持 同时建立 6 个持久连接。

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### HTTP 请求报文 ###

HTTP 报文有两种，一种是请求报文，一种是响应报文。

HTTP 请求报文的格式如下：

GET / HTTP/1.1
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Macintosh; Intel Mac OS X 10_10_5)
    Accept: */*

HTTP 请求报文的第一行叫做请求行，后面的行叫做首部行，首部行后还可以跟一个实体主体。请求首部之后有一个空行，这 个空行不能省略，它用来划分首部与实体。

请求行包含三个字段：方法字段、URL 字段和 HTTP 版本字段。

方法字段可以取几种不同的值，一般有 GET、POST、HEAD、PUT 和 DELETE。一般 GET 方法只被用于向服务器获取数据。

*  POST 方法用于将实体提交到指定的资源，通常会造成服务器资源的修改。
 *  HEAD 方法与 GET 方法类似，但是在返回的响应 中，不包含请求对象。
 *  PUT 方法用于上传文件到服务器。
 *  DELETE 方法用于删除服务器上的对象。

虽然请求的方法很多，但 更多表达的是一种语义上的区别，并不是说 POST 能做的事情，GET 就不能做了，主要看我们如何选择。

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### HTTP 响应报文 ###

HTTP 报文有两种，一种是请求报文，一种是响应报文。

HTTP 响应报文的格式如下：

HTTP/1.0 200 OK
    Content-Type: text/plain
    Content-Length: 137582
    Expires: Thu, 05 Dec 1997 16:00:00 GMT
    Last-Modified: Wed, 5 August 1996 15:55:28 GMT
    Server: Apache 0.84
    
    <html>
      <body>Hello World</body>
    </html>

HTTP 响应报文的第一行叫做状态行，后面的行是首部行，最后是实体主体。

状态行包含了三个字段：协议版本字段、状态码和相应的状态信息。

实体部分是报文的主要部分，它包含了所请求的对象。

常见的状态有：

200-请求成功  
202-服务器端已经收到请求消息，但是尚未进行处理  
301-永久移动  
302-临时移动  
304-所请求的资源未修改  
400-客户端请求的语法错误  
404-请求的资源不存在  
500-服务器内部错误。

一般 1XX 代表服务器接收到请求、2XX 代表成功、3XX 代表重定向、4XX 代表客户端错误、5XX 代表服务器端错误。

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## HTTPS 简介 ##

HTTPS 指的是超文本传输安全协议，HTTPS 是基于 HTTP 协议的，不过它会使用 TLS/SSL 来对数据加密。  
使用 TLS/ SSL 协议，所有的信息都是加密的，第三方没有办法窃听。并且它提供了一种校验机制，信息一旦被篡改，通信的双方会立 刻发现。它还配备了身份证书，防止身份被冒充的情况出现。

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## TLS 握手过程 ##

1.  第一步，客户端向服务器发起请求，请求中包含使用的协议版本号、生成的一个随机数、以及客户端支持的加密方法。
2.  第二步，服务器端接收到请求后，确认双方使用的加密方法、并给出服务器的证书、以及一个服务器生成的随机数。
3.  第三步，客户端确认服务器证书有效后，生成一个新的随机数，并使用数字证书中的公钥，加密这个随机数，然后发给服  
    务器。并且还会提供一个前面所有内容的 hash 的值，用来供服务器检验。
4.  第四步，服务器使用自己的私钥，来解密客户端发送过来的随机数。并提供前面所有内容的 hash 值来供客户端检验。
5.  第五步，客户端和服务器端根据约定的加密方法使用前面的三个随机数，生成对话秘钥，以后的对话过程都使用这个秘钥 来加密信息。

### 实现原理 ###

TLS 的握手过程主要用到了三个方法来保证传输的安全。

1.  首先是对称加密的方法
    
    对称加密的方法是，双方使用同一个秘钥对数据进行加密和解密。但是对称加密的存在一个问题，就 是如何保证秘钥传输的安全性，因为秘钥还是会通过网络传输的，一旦秘钥被其他人获取到，那么整个加密过程就毫无作用了。这就要用到非对称加密的方法。
2.  非对称加密的方法是，我们拥有两个秘钥，一个是公钥，一个是私钥。公钥是公开的，私钥是保密的。
    
    用私钥加密的数据，只 有对应的公钥才能解密，用公钥加密的数据，只有对应的私钥才能解密。

我们可以将公钥公布出去，任何想和我们通信的客户， 都可以使用我们提供的公钥对数据进行加密，这样我们就可以使用私钥进行解密，这样就能保证数据的安全了。

但是**非对称加密有一个缺点就是加密的过程很慢**，因此如果每次通信都使用非对称加密的方式的话，反而会造成等待时间过长的问题。

### 加密方式 ###

因此我们可以使用对称加密和非对称加密结合的方式，因为对称加密的方式的缺点是无法保证秘钥的安全传输。

我们也可以使用非对称加密的方式来对对称加密的秘钥进行传输，然后以后的通信使用对称加密的方式来加密，这样就解决了两个方法各自存在的问题。

但是现在的方法也不一定是安全的，因为我们没有办法确定我们得到的公钥就一定是安全的公钥。可能存在一个中间人，截取了对方发给我们的公钥，然后将他自己的公钥发送给我们，当我们使用他的公钥加密后发送的信息，就可以被他用自己的私钥 解密。然后他伪装成我们以同样的方法向对方发送信息，这样我们的信息就被窃取了，然而我们自己还不知道。

#### 解决传输数据安全问题的办法 ####

为了解决这样的问题，我们可以使用数字证书的方式。

首先我们使用一种 Hash 算法来对我们的公钥和其他信息进行加密生成 一个信息摘要，

然后让有公信力的认证中心（简称 CA ）用它的私钥对消息摘要加密，形成签名。

最后将原始的信息和签名合 在一起，称为数字证书。

当接收方收到数字证书的时候，先根据原始信息使用同样的 Hash 算法生成一个摘要，然后使用公证 处的公钥来对数字证书中的摘要进行解密，最后将解密的摘要和我们生成的摘要进行对比，就能发现我们得到的信息是否被更改 了。

这个方法最要的是认证中心的可靠性，一般浏览器里会内置一些顶层的认证中心的证书，相当于我们自动信任了他们，只有这样我们才能保证数据的安全。

## DNS 协议 ##

DNS 协议提供的是一种主机名到 IP 地址的转换服务，就是我们常说的域名系统。它是一个由分层的 DNS 服务器组成的分 布式数据库，是定义了主机如何查询这个分布式数据库的方式的应用层协议。  
DNS 协议运行在 UDP 协议之上，使用 53 号 端口。

### 域名的层级结构 ###

域名的层级结构可以如下:

主机名.次级域名.顶级域名.根域名
    # 即
    host.sld.tld.root

根据域名的层级结构，管理不同层级域名的服务器，可以分为根域名服务器、顶级域名服务器和权威域名服务器。

### DNS查询过程 ###

DNS 的查询过程一般为，我们首先将 DNS 请求发送到本地 DNS 服务器，由本地 DNS 服务器来代为请求。

1.  从"根域名服务器"查到"顶级域名服务器"的 NS 记录和 A 记录（ IP 地址）。
2.  从"顶级域名服务器"查到"次级域名服务器"的 NS 记录和 A 记录（ IP 地址）。
3.  从"次级域名服务器"查出"主机名"的 IP 地址。

比如我们如果想要查询 www.baidu.com 的 IP 地址，我们首先会将请求发送到本地的 DNS 服务器中，本地 DNS 服务 器会判断是否存在该域名的缓存，如果不存在，则向根域名服务器发送一个请求，根域名服务器返回负责 .com 的顶级域名 服务器的 IP 地址的列表。

然后本地 DNS 服务器再向其中一个负责 .com 的顶级域名服务器发送一个请求，负责 .com 的顶级域名服务器返回负责 .baidu 的权威域名服务器的 IP 地址列表。

然后本地 DNS 服务器再向其中一个权威域名服 务器发送一个请求，最后权威域名服务器返回一个对应的主机名的 IP 地址列表。

### DNS 记录和报文 ###

DNS 服务器中以资源记录的形式存储信息，每一个 DNS 响应报文一般包含多条资源记录。一条资源记录的具体的格式为

`（Name，Value，Type，TTL）`

其中 TTL 是资源记录的生存时间，它定义了资源记录能够被其他的 DNS 服务器缓存多长时间。

常用的一共有四种 Type 的值，分别是 A、NS、CNAME 和 MX ，不同 Type 的值，对应资源记录代表的意义不同。

*  如果 Type = A，则 Name 是主机名，Value 是主机名对应的 IP 地址。因此一条记录为 A 的资源记录，提供了标  
    准的主机名到 IP 地址的映射。
 *  如果 Type = NS，则 Name 是个域名，Value 是负责该域名的 DNS 服务器的主机名。这个记录主要用于 DNS 链式  
    查询时，返回下一级需要查询的 DNS 服务器的信息。
 *  如果 Type = CNAME，则 Name 为别名，Value 为该主机的规范主机名。该条记录用于向查询的主机返回一个主机名对应的规范主机名，从而告诉查询主机去查询这个主机名的 IP 地址。主机别名主要是为了通过给一些复杂的主机名提供 一个便于记忆的简单的别名。
 *  如果 Type = MX，则 Name 为一个邮件服务器的别名，Value 为邮件服务器的规范主机名。它的作用和 CNAME 是一样的，都是为了解决规范主机名不利于记忆的缺点。

### 递归查询和迭代查询 ###

递归查询指的是查询请求发出后，域名服务器代为向下一级域名服务器发出请求，最后向用户返回查询的最终结果。使用递归 查询，用户只需要发出一次查询请求。

迭代查询指的是查询请求后，域名服务器返回单次查询的结果。下一级的查询由用户自己请求。使用迭代查询，用户需要发出 多次的查询请求。

一般我们向本地 DNS 服务器发送请求的方式就是递归查询，因为我们只需要发出一次请求，然后本地 DNS 服务器返回给我 们最终的请求结果。

而本地 DNS 服务器向其他域名服务器请求的过程是迭代查询的过程，因为每一次域名服务器只返回单次 查询的结果，下一级的查询由本地 DNS 服务器自己进行。

### DNS 缓存 ###

DNS 缓存的原理非常简单，在一个请求链中，当某个 DNS 服务器接收到一个 DNS 回答后，它能够将回答中的信息缓存在本 地存储器中。返回的资源记录中的 TTL 代表了该条记录的缓存的时间。

### DNS 实现负载平衡 ###

DNS 可以用于在冗余的服务器上实现负载平衡。因为现在一般的大型网站使用多台服务器提供服务，因此一个域名可能会对应 多个服务器地址。

当用户发起网站域名的 DNS 请求的时候，DNS 服务器返回这个域名所对应的服务器 IP 地址的集合，但在 每个回答中，会循环这些 IP 地址的顺序，用户一般会选择排在前面的地址发送请求。

以此将用户的请求均衡的分配到各个不 同的服务器上，这样来实现负载均衡。

# 第四层----传输层 #

传输层协议主要是为不同主机上的不同进程间提供了逻辑通信的功能。传输层只工作在端系统中。

## 多路复用与多路分解 ##

将传输层报文段中的数据交付到正确的套接字的工作被称为多路分解。

在源主机上从不同的套接字中收集数据，封装头信息生成报文段后，将报文段传递到网络层，这个过程被称为多路复用。

无连接的多路复用和多路分解指的是 UDP 套接字的分配过程，一个 UDP 套接字由一个二元组来标识，这个二元组包含了一 个目的地址和一个目的端口号。

因此不同源地址和端口号的 UDP 报文段到达主机后，如果它们拥有相同的目的地址和目的端 口号，那么不同的报文段将会转交到同一个 UDP 套接字中。

面向连接的多路复用和多路分解指的是 TCP 套接字的分配过程，一个 TCP 套接字由一个四元组来标识，这个四元组包含了 源 IP 地址、源端口号、目的地址和目的端口号。

因此，一个 TCP 报文段从网络中到达一台主机上时，该主机使用全部 4 个 值来将报文段定向到相应的套接字。

## UDP 协议 ##

UDP 是一种无连接的，不可靠的传输层协议。它只提供了传输层需要实现的最低限度的功能，除了复用/分解功能和少量的差 错检测外，它几乎没有对 IP 增加其他的东西。UDP 协议适用于对实时性要求高的应用场景。

**特点：**

*  使用 UDP 时，在发送报文段之前，通信双方没有握手的过程，因此 UDP 被称为是无连接的传输层协议。因为没有握手 过程，相对于 TCP  
    来说，没有建立连接的时延。因为没有连接，所以不需要在端系统中保存连接的状态。
 *  UDP 提供尽力而为的交付服务，也就是说 UDP 协议不保证数据的可靠交付。
 *  UDP 没有拥塞控制和流量控制的机制，所以 UDP 报文段的发送速率没有限制。
 *  因为一个 UDP 套接字只使用目的地址和目的端口来标识，所以 UDP 可以支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互 通信。
 *  UDP 首部小，只有 8 个字节。

### UDP 报文段结构 ###

UDP 报文段由首部和应用数据组成。报文段首部包含四个字段，分别是源端口号、目的端口号、长度和检验和

*  每个字段的长度为两个字节。长度字段指的是整个报文段的长度，包含了首部和应用数据的大小。
 *  校验和是 UDP 提供的一种差错校验机制。虽然提供了差错校验的机制，但是 UDP 对于差错的恢复无能为力。

### TCP 协议 ###

TCP 协议是面向连接的，提供可靠数据传输服务的传输层协议。

**特点：**

*  TCP 协议是面向连接的，在通信双方进行通信前，需要通过三次握手建立连接。它需要在端系统中维护双方连接的状态信息。
 *  TCP 协议通过序号、确认号、定时重传、检验和等机制，来提供可靠的数据传输服务。
 *  TCP 协议提供的是点对点的服务，即它是在单个发送方和单个接收方之间的连接。
 *  TCP 协议提供的是全双工的服务，也就是说连接的双方的能够向对方发送和接收数据。
 *  TCP 提供了拥塞控制机制，在网络拥塞的时候会控制发送数据的速率，有助于减少数据包的丢失和减轻网络中的拥塞程度。
 *  TCP 提供了流量控制机制，保证了通信双方的发送和接收速率相同。如果接收方可接收的缓存很小时，发送方会降低发送  
    速率，避免因为缓存填满而造成的数据包的丢失。

### TCP 报文段结构 ###

TCP 报文段由首部和数据组成，它的首部一般为 20 个字节。  
源端口和目的端口号用于报文段的多路复用和分解。

32 比特的序号和 32 比特的确认号，用与实现可靠数据运输服务。

16 比特的接收窗口字段用于实现流量控制，该字段表示接收方愿意接收的字节的数量。

4 比特的首部长度字段，该字段指示了以 32 比特的字为单位的 TCP 首部的长度。

6 比特的标志字段，ACK 字段用于指示确认序号的值是有效的，RST、SYN 和 FIN 比特用于连接建立和拆除。设置 PSH 字 段指示接收方应该立即将数据交给上层，URG 字段用来指示报文段里存在紧急的数据。校验和提供了对数据的差错检测。

### TCP 三次握手的过程 ###

第一次握手，客户端向服务器发送一个 SYN 连接请求报文段，报文段的首部中 SYN 标志位置为 1，序号字段是一个任选的 随机数。它代表的是客户端数据的初始序号。

第二次握手，服务器端接收到客户端发送的 SYN 连接请求报文段后，服务器首先会为该连接分配 TCP 缓存和变量，然后向 客户端发送 SYN ACK 报文段，报文段的首部中 SYN 和 ACK 标志位都被置为 1，代表这是一个对 SYN 连接请求的确认， 同时序号字段是服务器端产生的一个任选的随机数，它代表的是服务器端数据的初始序号。确认号字段为客户端发送的序号加 一。

第三次握手，客户端接收到服务器的肯定应答后，它也会为这次 TCP 连接分配缓存和变量，同时向服务器端发送一个对服务 器端的报文段的确认。第三次握手可以在报文段中携带数据。

通俗来讲，TCP 三次握手的建立连接的过程就是相互确认初始序号的过程，告诉对方，什么样序号的报文段能够被正确接收。第三次握手的作用是客户端对服务器端的初始序号的确认。如果只使用两次握手，那么服务器就没有办法知道自己的序号是否 已被确认。同时这样也是为了防止失效的请求报文段被服务器接收，而出现错误的情况。

### TCP 四次挥手的过程 ###

因为 TCP 连接是全双工的，也就是说通信的双方都可以向对方发送和接收消息，所以断开连接需要双方的确认。

第一次挥手，客户端认为没有数据要再发送给服务器端，它就向服务器发送一个 FIN 报文段，申请断开客户端到服务器端的 连接。发送后客户端进入 FIN\_WAIT\_1 状态。

第二次挥手，服务器端接收到客户端释放连接的请求后，向客户端发送一个确认报文段，表示已经接收到了客户端释放连接的 请求，以后不再接收客户端发送过来的数据。但是因为连接是全双工的，所以此时，服务器端还可以向客户端发送数据。服务 器端进入 CLOSE\_WAIT 状态。客户端收到确认后，进入 FIN\_WAIT\_2 状态。

第三次挥手，服务器端发送完所有数据后，向客户端发送 FIN 报文段，申请断开服务器端到客户端的连接。发送后进入 LAS T\_ACK 状态。

第四次挥手，客户端接收到 FIN 请求后，向服务器端发送一个确认应答，并进入 TIME\_WAIT 阶段。

该阶段会持续一段时间， 这个时间为报文段在网络中的最大生存时间，如果该时间内服务端没有重发请求的话，客户端进入 CLOSED 的状态。

如果收到服务器的重发请求就重新发送确认报文段。服务器端收到客户端的确认报文段后就进入 CLOSED 状态，这样全双工的连接就被释放了。

TCP 使用四次挥手的原因是因为 TCP 的连接是全双工的，所以需要双方分别释放到对方的连接，单独一方的连接释放，只代 表不能再向对方发送数据，连接处于的是半释放的状态。

> 最后一次挥手中，客户端会等待一段时间再关闭的原因，是为了防止发送给服务器的确认报文段丢失或者出错，从而导致服务器 端不能正常关闭。

# 第三层----网络层 #

网络层协议主要实现了不同主机间的逻辑通信功能。网络层协议一共包含两个主要的组件，一个 IP 网际协议，一个是路由选择协议。

IP 网际协议规定了网络层的编址和转发方式，比如说我们接入网络的主机都会被分配一个 IP 地址，常用的比如 IPV4 使用 32 位来分配地址，还有 IPv6 使用 128 位来分配地址。

路由选择协议决定了数据报从源到目的地所流经的路径，常见的比如距离向量路由选择算法等。

# 第二层----数据链路层 #

数据链路层提供的服务是如何将数据报通过单一通信链路从一个结点移动到相邻节点。每一台主机都有一个唯一的 MAC 地址， 这是由网络适配器决定的，在全世界都是独一无二的。