计算机网络（一）：基础篇

文章目录

1. TCP/IP网络模型有哪几层并做简要介绍？
2. 键入网址到网页显示，期间发生了什么？
3. 介绍一下域名解析的工作流程？
4. MAC发送方和接收方如何确认？
5. 路由器和交换机的区别？
6. Linux系统是如何收发网络包的？
7. HTTP是什么？
8. HTTP常见的状态码有哪些？
9. HTTP 常见字段有哪些？
10. GET和POST有什么区别？
11. HTTP 缓存有哪些实现方式？
12. 什么是强制缓存？
13. 什么是协商缓存？
14. 使用ETag字段实现的协商缓存的过程是怎样的？
15. HTTP/1.1的优点有哪些？
16. HTTP/1.1的缺点有哪些？
17. HTTP/1.1的性能如何？
18. HTTP与HTTPS有哪些区别？

1. TCP/IP网络模型有哪几层并做简要介绍？

TCP/IP网络模型总共分为四层，从上到下分别为应用层、传输层、网络层以及网络接口层。
应用层：只需要专注于为用户提供应用功能，比如HTTP、FTP、DNS、SMTP等；
传输层：为应用层提供网络支持。在传输层有两个传输协议，分别是TCP和UDP。传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发给哪个应用。
网络层：网络层主要负责网络包的分片、路由以及转发功能，将数据从一个设备传输到另一个设备。网络层最常使用的是IP协议，如果IP报文大小超过MTU就会对其分片。
网络接口层：在IP头部的前面加上MAC头部，并封装成数据帧发送到网络中，主要为网络层提供链路级别传输的服务，负责在以太网、WIFI这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用MAC地址来标识网络上的设备。

2. 键入网址到网页显示，期间发生了什么？

首先浏览器对URL进行解析，生成发送给Web服务器的HTTP请求信息。
接着需要委托操作系统将请求消息发送给Web服务器。在发送之前，还需要查询服务器域名对应的IP地址，查询IP地址需要访问DNS服务器。DNS服务器分为根DNS服务器、顶级域DNS服务器、权威DNS服务器。
接着HTTP请求报文交给TCP传输层进行传输，在TCP传输数据之前，先要进行三次握手建立连接，三次握手的目的是保证双方都有发送和接收的能力。
TCP头部有源端口和目标端口，告知发给哪个应用。序列号解决包乱序的问题。确认号用于确认对方收到的数据，解决丢包的问题。由于TCP是面向连接的，双方要维护连接的状态，有一些状态位，比如SYN是发起一个连接，ACK是回复，RST是重新连接，FIN是结束连接等。头部中还有窗口大小，用于流量控制，表示自己的处理能力。还有校验和、首部长度、紧急指针等。
TCP 模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托网络层的 IP 模块将数据封装成网络包发送给通信对象。在IP头部里面有源IP地址和目标IP地址以及协议号、TTL、片偏移、首部校验和、首部长度以及总长度等。假设客户端有多个网卡时，就会有多个IP地址，这时就需要根据路由表规则，来判断源IP地址。
生成了IP头部之后，接下来网络包还需要在IP头部的前面加上MAC头部。在MAC包头里需要发送方MAC地址和接收方目标MAC地址以及协议类型（IP协议/ARP协议），用于两点的传输。
网卡驱动获取到网络包之后，会将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列，最后网卡会将包转为电信号，通过网线发送出去。
数据通过交换机和路由器的转发，最终到达服务器，服务器首先会校验数据包的MAC头部、IP头部，从IP头中协议项知道上层为TCP协议，然后查看TCP头部的序列号是不是自己想要的，如果是就放入缓存中然后返回一个ACK，如果不是就丢弃。通过TCP头部的端口号把数据发给监听该端口的HTTP进程。
服务器的HTTP进程把响应数据封装在HTTP响应报文里，然后作为发送端，把数据发给客户端。
客户端成功收到响应数据后，向服务器发起TCP四次挥手，至此双方的连接就断开了。

3. 介绍一下域名解析的工作流程？

域名解析的工作流程如下：

客户端首先会发出一个DNS请求，向本地DNS服务器询问www.server.com的IP是啥。
本地域名服务器收到客户端请求后，如果缓存里的表格能找到www.server.com，则直接返回IP地址。如果没有，则本地DNS服务器就会去问它的根域名服务器。
根域名服务器收到本地DNS的请求后，会把对应的顶级域服务器的地址发送给本地DNS服务器。
本地DNS收到顶级域服务器地址后，接着向顶级域服务器询问www.server.com的IP。
顶级域名服务器会把权威域名服务器的地址响应给本地域名服务器。
本地DNS服务器访问权威域名服务器，询问服务器域名对应的IP地址。
权威DNS服务器查询后将对应的IP地址返回给本地DNS。
本地DNS收到服务器的IP地址后，在本地缓存，然后再把IP地址返回给客户端，客户端和目标简历连接。

4. MAC发送方和接收方如何确认？

发送方的MAC地址是在网卡生产时写入到ROM里的，只要将这个值读取出来写入到MAC头部就可以了。
在确认接收方的MAC地址时，首先需要在路由表中查询到接收方的IP地址。然后通过ARP协议找到路由器的MAC地址。
ARP协议会在以太网中以广播的形式发送IP地址，询问接收方对应的MAC地址，接收方收到后，会和自己的IP地址进行比对，接着把自己的MAC地址返回给发送方，由此也得到了接收方的MAC地址。操作系统会把本次查询结果放在ARP缓存中，缓存时间就几分钟。通过arp -a命令来查看ARP缓存的内容。

5. 路由器和交换机的区别？

因为路由器是基于 IP 设计的，俗称三层网络设备，路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址；而交换机是基于以太网设计的，俗称二层网络设备，交换机的端口不具有 MAC 地址。

6. Linux系统是如何收发网络包的？

Linux接收网络包的流程：
当网卡接收到一个网络包后，会通过DMA技术将网络包写入到指定的内存地址，也就是写入到Ring Buffer环形缓冲区，接着网卡向CPU发起硬件中断，当CPU收到硬件中断请求后，根据中断表，调用已经注册的硬件中断处理函数。硬件中断处理函数首先暂时屏蔽中断，表示已经知道内存中有数据了，告诉网卡下次再收到数据包直接写内存就可以了，这样可以提高效率，避免CPU不停的被中断。接着，发起软中断，然后恢复刚才屏蔽的中断。当ksoftirqd内核线程收到软中断后，就会来轮询处理数据，从Ring Buffer中获取一个数据帧，用sk_buff表示，从而可以作为一个网络包交给网络协议进行逐层处理。
Linux 发送网络包的流程：
首先，应用程序会调用 Socket 发送数据包的接口，由于这个是系统调用，所以会从用户态陷入到内核态中的 Socket 层，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区。接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出 sk_buff，并按照 TCP/IP 协议栈从上到下逐层处理。如果使用的是 TCP 传输协议发送数据，那么先拷贝一个新的 sk_buff 副本，接着，对 sk_buff 填充 TCP 头。然后交给网络层，在网络层里会做这些工作：选取路由（确认下一跳的 IP）、填充 IP 头、netfilter 过滤、对超过 MTU 大小的数据包进行分片。处理完这些工作后会交给网络接口层处理。网络接口层会通过 ARP 协议获得下一跳的 MAC 地址，然后对 sk_buff 填充帧头和帧尾，接着将 sk_buff 放到网卡的发送队列中。这一些工作准备好后，会触发「软中断」告诉网卡驱动程序，这里有新的网络包需要发送，驱动程序会从发送队列中读取 sk_buff，将这个 sk_buff 挂到 RingBuffer 中，接着将 sk_buff 数据映射到网卡可访问的内存 DMA 区域，最后触发真实的发送。当数据发送完成以后，其实工作并没有结束，因为内存还没有清理。当发送完成的时候，网卡设备会触发一个硬中断来释放内存，主要是释放 sk_buff 内存和清理 RingBuffer 内存。最后，当收到这个 TCP 报文的 ACK 应答时，传输层就会释放原始的 sk_buff 。

7. HTTP是什么？

HTTP是一个在计算机世界里专门在两点之间传输文字、图片、音频、视频等超文本数据的约定和规范。

8. HTTP常见的状态码有哪些？

1xx 类状态码属于提示信息，是协议处理中的一种中间状态。
2xx 类状态码表示服务器成功处理了客户端的请求。
- 200 OK是最常见的成功状态码，表示一切正常。
- 204 No Content也是常见的成功状态码，其中响应头没有body数据。
- 206 Partial Content表示响应返回的body数据并不是资源的全部，而是其中的一部分，也是服务器处理成功的状态。
3xx 类状态码表示客户端请求的资源发生了变动，需要客户端用新的 URL 重新发送请求获取资源，也就是重定向。
- 301 Moved Permanently表示永久重定向，需改用新的 URL 再次访问。
- 302 Found表示临时重定向，说明请求的资源还在，但暂时需要用另一个 URL 来访问。
  301 和 302 都会在响应头里使用字段 Location，指明后续要跳转的 URL，浏览器会自动重定向新的 URL。
- 304 Not Modified表示资源未修改，缓存重定向，也就是告诉客户端可以继续使用缓存资源，用于缓存控制。
4xx 类状态码表示客户端发送的报文有误，服务器无法处理，也就是错误码的含义。
- 400 Bad Request表示客户端请求的报文有错误，但只是个笼统的错误。
- 403 Forbidden表示服务器禁止访问资源，并不是客户端的请求出错。
- 404 Not Found表示请求的资源在服务器上不存在或未找到，所以无法提供给客户端。
5xx 类状态码表示客户端请求报文正确，但是服务器处理时内部发生了错误，属于服务器端的错误码。
- 500 Internal Server Error是个笼统通用的错误码，服务器发生了错误。
- 501 Not Implemented表示客户端请求的功能还不支持。
- 502 Bad Gateway通常是服务器作为网关或代理时返回的错误码，表示服务器自身工作正常，访问后端服务器发生了错误。
- 503 Service Unavailable表示服务器当前很忙，暂时无法响应客户端。

9. HTTP 常见字段有哪些？

Host字段：客户端发送请求时，用来指定服务器的域名。
Connection字段：常用于客户端要求服务器使用HTTP 长连接机制，需要指定Connection首部字段的值为Keep-Alive。
Content-Length字段：服务器在返回数据时，会有Content-Length字段，表明本次回应的数据长度。
Content-Type字段：用于服务器回应时，告诉客户端本次传输的数据格式。
Accept字段：客户端请求的时候，可以使用Accept字段声明自己可以接受的数据格式。
Content-Encoding字段：Content-Encoding字段说明数据的压缩方法，表示服务器返回的数据使用的压缩格式。
Accept-Encoding字段：客户端在请求时，用Accept-Encoding字段说明自己可以接受的压缩方法。

10. GET和POST有什么区别？

GET的语义是从服务器获取指定的资源；POST 的语义是根据报文body对指定的资源做出处理，具体的处理方式视资源类型而不同。
GET请求的参数位置一般是写在URL中，URL规定只能支持ASCII码，所以GET请求的参数只允许 ASCII 字符；POST 请求携带数据的位置一般是写在报文 body 中，body 中的数据可以是任意格式的数据。
GET请求时，浏览器会对 URL 的长度有限制；而POST请求时，浏览器不会对body大小做限制。
GET方法是安全、幂等、可被缓存的；POST 不安全，不幂等，（大部分实现）不可缓存。

11. HTTP 缓存有哪些实现方式？

HTTP 缓存有两种实现方式，分别是强制缓存和协商缓存。

12. 什么是强制缓存？

强缓存指的是只要浏览器判断缓存没有过期，则直接使用浏览器的本地缓存，决定是否使用缓存的主动权在于浏览器这边。
强缓存是利用两个 HTTP 响应头部（Response Header）字段Cache-Control和Expires实现的，它们都用来表示资源在客户端缓存的有效期。Cache-Control 的优先级高于 Expires，所以建议使用Cache-Control来实现强缓存。
强缓存的具体实现流程：

当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在响应头部加上 Cache-Control，Cache-Control 中设置了过期时间大小；
浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，会先通过请求资源的时间与 Cache-Control 中设置的过期时间大小，来计算出该资源是否过期，如果没有，则使用该缓存，否则重新请求服务器；
服务器再次收到请求后，会再次更新响应头部的Cache-Control。

13. 什么是协商缓存？

协商缓存就是与服务端协商之后，通过协商结果来判断是否使用本地缓存。
协商缓存可以基于两种头部来实现。第一种是基于请求头部中的 If-Modified-Since 字段与响应头部中的 Last-Modified 字段实现；第二种是基于请求头部中的 If-None-Match 字段与响应头部中的 ETag 字段。
协商缓存这两个字段都需要配合强制缓存中Cache-Control字段来使用，只有在未能命中强制缓存的时候，才能发起带有协商缓存字段的请求。

14. 使用ETag字段实现的协商缓存的过程是怎样的？

当使用 ETag 字段实现的协商缓存的过程：

当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在响应头部加上 ETag 唯一标识，这个唯一标识的值是根据当前请求的资源生成的；
当浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，首先会先检查强制缓存是否过期：
- 如果没有过期，则直接使用本地缓存；
- 如果缓存过期了，会在响应头部加上 If-None-Match 字段，该字段的值就是 ETag 唯一标识；
服务器再次收到请求后，会根据请求中的 If-None-Match 值与当前请求的资源生成的唯一标识进行比较：
- 如果值相等，则返回 304 Not Modified，不会返回资源；
- 如果不相等，则返回 200 状态码和返回资源，并在响应头部加上新的 ETag 唯一标识；
如果浏览器收到 304 的请求响应状态码，则会从本地缓存中加载资源，否则更新资源。

15. HTTP/1.1的优点有哪些？

HTTP1.1最突出的优点是简单、灵活和易于扩展、应用广泛和跨平台。

简单：HTTP基本的报文格式是header + body，头部信息也是key-value简单文本格式，易于理解。
灵活和易于扩展：协议中的字段允许自定义和扩充，同时由于HTTP工作在应用层，则它的下层可以随意变化，比如HTTPS就是在HTTP与TCP层之间增加了TLS安全传输层，HTTP1.1和HTTP2.0传输协议使用TCP协议，而HTTP3.0传输协议改用了UDP协议。
应用广泛和跨平台：台式机和手机的很多APP都采用了HTTP1.1。

16. HTTP/1.1的缺点有哪些？

HTTP协议有优缺点一体的双刃剑，分别为无状态、明文传输，同时还有一大缺点不安全。

无状态
- 好处：服务器不需要额外的资源来记录状态信息，能减轻服务器的负担。
- 坏处：由于服务器没有记录HTTP的状态信息，在完成有关联性的操作是会非常麻烦。
  对于无状态的问题，比较简单的解决方法是使用Cookie技术，在客户端第一次请求后，服务器返回的响应报文中携带一个装有客户信息的Cookie，后续客户端再次请求服务器时，在请求报文中带上Cookie，服务器检查Cookie即可。
明文传输
- 好处：明文意味着在传输过程中的信息方便阅读，可以直接通过抓包查看报文信息，便于我们的调试工作。
- 坏处：HTTP的所有信息明文传输，很容易被窃取。
不安全
- 通信使用明文，因此内容可能会被窃听；
- 不验证通信方的身份，因此有可能遭遇伪装；
- 无法证明报文的完整性，因此报文有可能被篡改。

17. HTTP/1.1的性能如何？

HTTP协议是基于TCP/IP，并且使用了请求-应答的通信模式，所以性能的关键也在这两点上。

长连接
HTTP/1.1 提出了长连接的通信方式好处在于减少了 TCP 连接的重复建立和断开所造成的额外开销，减轻了服务器端的负载。
持久连接的特点是，只要任意一端没有明确提出断开连接，则保持 TCP 连接状态。
管道网络传输
管道网络传输可在同一个 TCP 连接里面，客户端可以发起多个请求，只要第一个请求发出去了，不必等其回来，就可以发第二个请求出去，可以减少整体的响应时间。但是服务器必须按照接收请求的顺序发送对这些管道化请求的响应。所以，HTTP/1.1 管道解决了请求的队头阻塞，但是没有解决响应的队头阻塞。
队头阻塞
当顺序发送的请求序列中的一个请求因为某种原因被阻塞时，在后面排队的所有请求也一同被阻塞了，会导致客户端一直无法得到响应数据，这也就是队头阻塞。

18. HTTP与HTTPS有哪些区别？

HTTP是超文本传输协议，信息是明文传输，存在安全风险的问题；HTTPS则解决HTTP不安全的缺陷，在TCP和HTTP网络层之间加入了SSL/TLS安全协议，使得报文能够加密传输。
HTTP连接建立相对简单，TCP三次握手之后便可进行HTTP的报文传输。而HTTPS在TCP三次握手之后，还需进行SSL/TLS的四次握手过程，才可进入加密报文传输。
两者的默认端口不一样，HTTP默认端口号是80，HTTPS默认端口号是443。
HTTPS协议需要向CA（证书权威机构）申请数字证书，来保证服务器的身份是可信的。