网络

OSI(Open System Interconnection)是理想化的模型，将网络进行分层(也就是将网络通信的过程分为七个层级)，其目的是将复杂的流程简单化，从而实现分而治之。

1 OSI 七层模型(描述整个网络的)

• 七层是理想化的模型，将复杂的网络进行划分(实现的时候不用七层型，4,5 层)
• 对于整个网络的通信过程来进行分层，目的就是让复杂的东西简单化。分而治之

1.1 物数网传会表应

• 应用层(用户最终使用的接口)

• 表示层(表示数据的格式，数据的编码，压缩，加密)

• 会话层(建立会话，管理会话，结束) > http 报文

• 传输层(将数据传输到对方，中间数据丢失，网络不可靠。。。分段，有序) > 门牌号(端口号) > 数据段

• 网络层(路由选择，寻址，选择那条线路) > 地址(ip 地址) > 数据包 > 逻辑地址

• 数据链路层(将两个设备连接在一起，传输数据) > mac 地址 > 数据帧 > 物理地址

• 物理层（目的就是传输 bit 流）> 物理设备 (光纤，同轴电缆)

下为了上而服务

1.2 网络分层的含义?

下层是为了上层提供服务的。

• 物理层：(核心是传输数据比特流，将数据从一个节点传输到另一个节点)，不关心具体的物理层:传输媒体(双绞线、光纤、同轴电缆、无线..)
• 数据链路层: (主要关心两个设备之间传递数据)，建立逻辑链接，将数据组合成数据帧进行传递(差错校测，可靠传输)
• 网络层:（主要是进行路由选择和流量控制）进行逻辑寻址，定位到对方，找到最短的路径，进行数据包的传递
• 传输层:（主要是对数据进行分段和重组及数据完整性保障）网络层不可靠，保证可靠的传输
• 会话层:（负责建立、管理和结束会话）建立和管理会话的
• 表示层:（负责将数据进行编码、压缩和解码）数据的表示、安全、压缩
• 应用层: 用户最终使用的接口

1.3 应用举例

举例:写给女朋友信的过程

• 1.应用层: 你心里有很多想对女朋友说的话。这个就是应用层中的数据
• 2.表示层: 将你想说的话进行整合，有调理的表示出来
• 3.会话层: 我希望我的信只能我的女朋看到别人不行(非女朋友偷看者死)
• 以上这三个就是我们完整信的内容。
• 4.传输层: 我自己不好意思亲手交给她，找个快递来。告诉他我家 504 她家 301，你发吧~
• 5.网络层: 快递说这不是开玩笑吗? 你得给我个能找到他的地址 xxx 省 xxx 市 xxx 街道 xxx 小区。还得添上你的地址，原地址和目标地址。
• 6.数据链路层: 信件到了快递总部，会进行分类增加标识，快递需要中转，先找到第一个中转站发过去，之后根据目的地地址依次进行中转发送。
• 7.物理层:通过飞机、卡车将信邮寄到过去。

信件邮寄到目的地后，邮局会分配到对应的小区，找到对应的门牌号，我的女朋友就会拿到对应的信件了。

1.4 分层

一般情况下我们在通信过程中使用的是 TCP/Ip 协议簇，将此模型简化为四层模

• 网络接口层(物理层，数据链路层)
• 网络层
• 传输层
• 应用层(会话层，表示层，应用层)

1.5 七层协议

• 报文：应用层 + 数据
• 数据段：传输层 + 数据 + 端口号
• 数据包：网络层 + 数据 + 端口 + IP 地址
• 数据帧：链路层 + 数据 + 端口 + IP 地址 + MAC 地址

2 地址

2.1 IP 地址

• ipv4：IP 地址的第四个版本，地址由 32 位二进制数值组成 例如:192.168.1.1，最大值：42 亿个（255 的四次方）
  • 255:255:255:255
• IPv6 由 8 个 16 进制组成， 一共 128 位，终极2^128个
  • 2408:8207:788b:2370:9530:b5e7:9c53:87 大约（2^128 = 3.4 * 10^38）

IP 地址不是固定的（因为连接的网络不同），但是我们的 MAC 地址是唯一的（也是可以更改的），每个网卡都会有一个固定的 MAC 地址。

2.2 MAC 地址

设备通信都是由内部的网卡设备来进行的，每个网卡都有自己的 mac 地址（原则上唯一）

3 每层物理设备

• 物理层 线路(光纤)
  • 中继器 (简单的连接两个设备，这一层就可以做到)网线最大传输距离 100m。只能连接两个设备
  • 集线器 可以实现多个设备的互联，多口的中继器，通信的时候 是“广播”的形式
• 数据链路层
  • 交换机(第一次是广播的形式找到对方，后面可以直接和对方联系)飞秋，无法做到网络连接
• 网络层，
  • 路由器 只有 lan 口 的路由器可以理解成交换机， wan 口后可以做到连接互联网的功能(网关) 让两个子域通信
  • 网关: 两个子网之间不可以直接通信，需要通过网关进行转发

网址简化了 ip，ip 简化了 mac 地址，在访问过程中 ip 地址是不会变化的，变化的是 mac 地址

4 TCP/IP 参考模型

Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议。TCP/IP 协议实际上是一系列网络通信协议的统称，最核心的两个协议是 Icp 和 IP

4.1 什么是协议?

协议就是约定和规范

4.2 每层的“协议”

数据链路层、物理层都属于物理设备。

在七层模型中只有三层以上的才能称之为协议。常见的协议有：

• 网络层：
  • IP 协议：寻址通过路由器查找，将消息发送给对方路由器，通过 ARP 协议,发送自己的 mac 地址
  • ARP 协议：Address Resolution Protocol 从 ip 地址获取 mae 地址(局域网)。
• 传输层：
  • TCP
  • UDP
• 应用层:
  • HTTP
  • DNS：因为用户很难记住 IP 地址，所以出现了 DNS
  • DHCP：自动获取网络配置信息（动态主机配置协议），自动分配 IP，基于 UDP。
  • FTP
  • TFTP
  • SMTP

4.3 ARP 协议

根据目的 I 地址，解析目的 mac 地址

ARP缓存表	交换机MAC地址表
Internet 地址	物理地址	端口号	物理地址
192.168.1.2	B	1	A
		2	B
		3	C

有了源 mac 地址和目标 mac 地址，就可以传输数据包了。

4.4 DHCP 协议

通过 DHcP 自动获取网络配置信息（动态主机配置协议 Dynamic Host Configuration Protocol）我们无需自己手动配置 IP

4.5 DNS 协议

DNS 是 Domain Name System 的缩写，DNS 服务器进行域名和与之对应的 p 地址转换的服务器

• 顶级域名.com、
• 二级域名.com.cn
• 三级域名 www.xxx.com.cn,有多少个点就是几级域名

访问过程：我们访问 xxx.com.cn

• 操作系统里会对 DNS 解析结果做缓存，如果缓存中有直接返回 IP 地址
• 查找 C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts 如果有直接返回 Ip 地址
• 通过 DNS 服务器查找离自己最近的根服务器，通过根服务器找到.cn 服务器，将 ip 返回给 DNS 服务器
• DNS 服务器会继续像此 ip 发送请求，去查找对应.cn 下.com 对应的 ip…
• 获取最终的 ip 地址。缓存到 DNS 服务器上

查找过程就是一个递归的过程。

DNS 服务器会对 ip 及域名进行缓存，采用的是 UDP （无连接）

5 UDP

5.1 UDP 概念

udp用户数据报协议User Datagram Protocol，是一个无连接、不保证可靠性的传输层协议。你让我发什么就发什么!

• 使用场景：DHCP 协议、DNS 协议、QUIC 协议等（处理速度快，可以丢包的情况）

5.2 UDP 抓包

client.js

const dgram = require("dgram");

const socket = dgram.createSocket("udp4"); // 双工流
socket.on("message", function (msg, rinfo) {
  console.log(msg.toString());
  console.log(rinfo);
});
socket.send(
  Buffer.from("helloworld"),
  0,
  5,
  41234,
  "localhost",
  function (err, bytes) {
    console.log("发送了个%d字节", bytes);
  }
);
socket.on("error", function (err) {
  console.error(err);
});

server.js

const dgram = require("dgram"); // udp模块

const socket = dgram.createSocket("udp4");
socket.on("message", function (msg, rinfo) {
  console.log(msg.toString());
  console.log(rinfo);
  socket.send(msg, 0, msg.length, rinfo.port, rinfo.address);
});
socket.bind(41234, "localhost");

udp.dstport = 41234

TIP

• UDP 发出请求后，不考虑对方是否能接收到、内容是否完整、顺序是否正确。收到数据后也不会进行通知。
• 首部结构简单，在数据传输时能实现最小的开销

6、TCP

两个协议都在传输层，我们经常说 TCP 是面向连接的，而 UDP 是面向无连接的。

6.1 TCP 概念

TCP 传输控制协议（Transmission Control Protocol）是可靠、面向连接的协议，传输效率低（在不可靠的 IP 层上建立可靠的传输层）。TCP 提供全双工服务，即数据可在同一时间双向传播。

6.2 TCP 数据格式

• 源端口号、目标端口号，指代的是发送方随机端口，目标端对应的端口
• 序列号：32 位序列号是用于对数据包进行标记，方便重组
• 确认序列号：期望发送方下一个发送的数据的编号
• 4 位首部长度：单位是字节，4 位最大能表示 15，所以头部长度最大为 60
• URG:紧急信号、ACK:确认信号、PSH:应该从 TCP 缓冲区读走数据、RST:断开重新连接、SYN:建立连接、FIN:表示要断开
• 窗口大小: 当网络通畅时将这个窗口值变大加快传输速度，当网络不稳定时减少这个值。在 TCP 中起到流量控制作用。
• 校验和：用来做差错控制，看传输的报文段是否损坏
• 紧急指针：用来发送紧急数据使用

TCP 对数据进行分段打包传输，对每个数据包编号控制顺序，

6.3 TCP 抓包

client.js

const net = require("net"); // tcp

const socket = new net.Socket(); // 双工流，套接字
// 连接8080端口
socket.connect(8080, "localhost");
// 连接成功后给服务端发送消息
socket.on("connect", function (data) {
  // 浏览器给服务端说 hello --- 可写流
  socket.write("hello");
  socket.end();
});
// 可读流，读取服务端传递的消息
socket.on("data", function (data) {
  console.log(data.toString());
});
socket.on("error", function (error) {
  console.log(error);
});

server.js

const net = require("net");

const server = net.createServer(function (socket) {
  // 监听客户端的消息
  socket.on("data", function (data) {
    // 服务端给客户端说 hi
    socket.write("hi");
  });
  // 监听客户端的end事件
  socket.on("end", function () {
    console.log("客户端关闭");
    // 服务端给客户端说 hi
    socket.write("hi");
  });
});
server.on("error", function (err) {
  console.log(err);
});
// 监听8080端口
server.listen(8080);

抓包工具：Wireshark

6.4 TCP 三次握手，四次断开

6.4.1 建立连接

三次握手

• 1)客户端：我能主动给你打·电话吗?

• 2)服务端：当然可以啊！那我也能给你打电话吗?

• 3)客户端：可以的呢，建立连接成功!

• 第一次握手：在建立 TCP 连接时，客户机 A 向服务器 B 发出连接请求报文,其中同步位 SYN=1，同时选择一个初始序号 Seq=0，这时候客户机 A 进入 SYN-SENT（同步已发送）状态，

• 第二次握手：服务器 B 收到报文段后，如果同意建立连接，则向 A 发送确认，在确认报文段中应把 SYN 位和 ACK 为都置为 1，确认号 ACK=（Seq=0）+ 1 = 1，同时也为自己选择一个初始序列号 Seq=0，这时服务器 B 处于 SYN-RCVD（同步收到）状态，

• 第三次握手：客户机 A 收到 B 的确认以后，还要给 B 给出确认，确认报文 ACK=1，确认号 ACK=（Seq=0）+ 1 = 1，自己的序号 Seq=1，这时 TCP 连接已经建立，A 进入 ESTABLISHED（已建立连接）状态，当 B 收到 A 的确认以后，也进入 ESTABLISHED 状态。

6.4.2 数据传输

6.4.3 断开连接

在客户端和服务端的连接需要断开的时候，需要一方发起断开的信号，然后双方开始进行应答交互，而因为服务端可能还有没有发送完的数据，所以会比握手多一次，最后完成断开。

握手和挥手时：ack = 对方的 seq + 1 个标致位 发送数据时：ack = 对方的 seq + 对方的 len

四次挥手

• 1)我们分手吧

• 2)收到分手的信息

• 3)好吧，分就分吧

• 4)行，那就到这里了

• 客户端和服务端握手 seq = 0 ack = 0

• 服务端到后， 会在你的序列号基础上 + 1 = ack (ack=1) , 并且用你的 ack 作为本次的 seq = 0

• 客户端确认 ack = 1 seq = 1

用对方的 ack 作为本次的 seq （seq + 1 作为 ack）握手成功后

• 客户端要给服务端发消息 ack = 1 seq = 1 len = 10
• 服务端收到后， ack = seq + len = 11（收到了你发来的 10 个字节） （对方的 ack 就是我的 seq） seq = 1
• 服务端在发消息 seq = 1 ack = 11 len = 10
• 客户端收到了 ack = seq + len = 11 seq = 11
• 客户端在发消息 ack = 11 seq = 11 len = 2
• 对方收到了 ack = seq + len = 13 ack = seq = 11

断开就是相互+1

1.客户机 A 发送连接释放报文，并且停止发送数据，主动关闭 TCP 连接，A 把连接释放报文段首部的终止控制位 FIN=1 其序号 seq=u（等于前面已经传送过的数据的最后一个字节的序号加 1），这时候 A 进入 FIN-WAIT-1（终止等待 1）状态，等待 B 的确认，注意，TCP 规定，FIN 报文段即时不携带数据，他也会消耗掉一个序号。

2.服务器 B 收到连接释放报文，发出确认报文，确认号 ack=u+1，这个报文段自己的序号是 v，等于 B 前面已经传送过的数据的最后一个字节的序号加 1，然后 B 就进入了 CLOSED-WAIT（关闭等待）状态，TCP 服务器进程这时候通知高层应用进程，客户机 A 到服务器 B 这个方向的连接就释放了，这时 TCP 连接处于半关闭（half-close）状态，即 A 已经没有数据要发送的了，但是 B 若发送数据，A 仍然要接收，也就是说，从 B 到 A 这个方向的连接并没有关闭，这个状态可能会持续一段时间，

3.A 收到来自 B 的确认后，就进入 FIN-WAIT-2（终止等待 2）状态，等待 B 发出的连接释放报文段

4.若 B 已经没有要向 A 发送的数据，其应用进程就通知 TCP 释放连接，这时 B 发出的连接释放报文段 FIN=1，ACK=1，假定 B 的序号 seq=w（在这半关闭状态 B 可能又发送一些数据），B 还要重复上次已经发送过的确认号 ack=u+1，这时 B 就进入 LAST-ACK（等待确认）状态，等待 A 的确认

5.A 在收到 B 的连接释放报文段后，必须对此发出确认，在确认报文中把 ACK=1，确认号 ack=w+1，自己的序号是 seq=u+1，然后进入 TIME-WAIT（时间等待）状态，注意此时 TCP 连接还没有释放掉，必须经过时间等待计时器（TIME-WAIT timer）设置的时间 2MSL 后，A 才能进入 CLOSED 状态

6.服务器 B 收到了 A 发出的确认，就会进入 CLOSED 状态，同样 B 在撤销相应的传输控制块 TCB 后，就结束了这次的 TCP 连接，我们注意到，B 结束 TCP 连接的时间比客户机 A 要早一点。

为了防止最终的 AC 丢失，发送 AcK 后需要等待一段时间，因为如果丢包服务端需要重新发送 FIN 包，如果客户端已 closed，那么服务端会将结果解析成错误。从而在高并发非长连接的场景下会有大量端口被占用。

6.5 滑动窗口

主要是用来控制流量的。缓存区的缓存被上层（HTTP 等）消费之后，就会把缓存释放掉。

• 滑动窗口：TCP 是全双工的，所以发送端有发送缓存区；接收端有接收缓存区，会根据网络状况调整发送数据的多少。要发送的数据都放 到发送者的缓存区，发送窗口(要被发送的数据)就是要发送缓存中的哪一部分
• 我们发送数据的时候是乱序发送的，但是当我们收到某个包后，可能之前的包还没有收到，此时需要等待前面序号的包到了才可以（队头阻塞）
• 服务端和客户端会说明发送数据的个数
• 如果某个数据包丢失了，就会重新发送（超时重传 RTO）
• 核心是流量控制：在建立连接时，接收端会告诉发送端自己的窗口大小（rwnd），每次接收端收到数据后都会再次确认(rwna)大小，如果值为 0，停止发送数据。(并发送窗口探测包，持续监测窗口大小)，实际上就是控制发送方的频率
• 当接收方的缓存区满了，每隔一段时间，发送方都会发送一个探测包，来询问能否调整窗口大小。而当上层协议消耗掉接收放的数据，接收方也会主动通知发送方调整窗口，从而继续发送和接收数据

6.6 粘包

• 每次发送一个数据，都会额外的增加一个 tcp 的 header，每次发送一个字节

• 能不能把较小的包连接在一起

• 默认采用 nagle 算法 ，保证只有一个小段正在发送，后续的就可以粘包，但是问题在于如果响应的很快，默认还没有粘包，还是一个个发送，可以采用 cork 算法来实现，粘包，达到最大值或者没有其他内容一并发送

• Nagle 算法的基本定义是任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段（TCP 内部控制）

• Cork 算法当达到MSS(Maximum Segment Size )值时统一进行发送（此值就是帧的大小 - IP 头 - TCP 头 = 1460 字节）理论值

6.7 TCP 拥塞处理（队头阻塞）

注意：如果在非长链接的情况下会有大量端口被占用的问题。

举例：假设接收方窗口大小是无限的，接收到数据就能发送 ACK 包，那么传输数据主要是依赖于网络带宽，带宽的大小是有限的。

• TCP 维护一个拥塞窗口 cwnd（congestion window）变量，在传输过程中没有拥塞就将此值增加。如果出现拥塞（超时重传 RTO（Retransmission Timeout））就将窗口值减少
• cwnd < ssthresh 使用慢开始算法
• cwnd > ssthresh 使用拥塞避免算法
• RTO 时更新 ssthresh 值为当前窗口的一半，更新 cwnd = 1

• 传输轮次：RTT （Round-trip time），从发送到确认信号的时间
• cwnd 控制发送窗口的大小

快重传，可能在发送的过程中出现丢包的情况。此时不要立即回退到慢开始阶段，而是对已经收到的报文重复确认，如果确认次数达到 3 次，则立即进行重传快恢复算法（减少超时重传机制的出现和降低重置 cwnd 的频率）

7、HTTP

7.1 HTTP 发展历程

1990 年 HTTP/0.9 为了便于服务器和客户端处理，采用了“纯文本“格式，只运行使用 GET 请求，在响应请求之后会立即关闭连接。

1996 年 HTTP/1.0 增强了 0.9 版本，引入了 HTTP Header(头部)的概念，传输的数据不再仅限于文本，可以解析图片音乐等，增加了响应状态码和 PoST,HEAD 等请求方法。(内容协商)

1999 年广泛使用 HTTP/1.1，正式标准，允许持久连接，允许响应数据分块，增加了缓存管理和控制，增加了 PUT、DELETE 等新的方法。(问题 多个请求并发 http 队头阻塞的问题)

2015 年 HTTP/2，使用HPACK算法压缩头部，减少数据传输量。允许服务器主动向客户端推送数据，二进制协议可发起多个请求，使用时需要对请求加密通信

2018 年 HTTP/3 基于 UDP 的 QUIc 协议。

7.2 HTTP/1.1

• HTTP/1.1 是可靠传输协议，基于 TCP/IP 协议;
• 采用应答模式，客户端主动发起请求，服务器被动回复请求
• HTTP 是无状态的每个请求都是互相独立
• HTTP 协议的请求报文和响应报文的结构基本相同，由三部分组成。

7、请求方法

• HTTP1.0 定义了三种请求方法： GET, POST 和 HEAD 方法
• HTTP1.1 新增了六种请求方法：OPTIONS、PUT、PATCH、DELETE、TRACE 和 CONNECT 方法

方法	描述
GET	请求指定的页面信息，并返回实体主体
POST	向指定资源提交数据请求，数据被包含在请求体中
HEAD	类似于 GET 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
PUT	向服务器发送数据，用于修改
DELETE	请求服务器删除指定的资源
OPTIONS	向服务器询问支持的方法，比如跨域
CONNECT	HTTP/1.1 协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器
TRACE	回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断
PATCH	是对 PUT 方法的补充，用来对已知资源进行局部更新

• get、post 为简单请求，其他都为复杂请求
• 如果用户添加了自定义信息也算复杂请求
• 跨域请求：options 预检请求 跨域时会携带
• cookie 不允许跨域，预检不通过不会发送后续的内容了

四、状态码

HTTP 状态码