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图解HTTP-笔记Part1-网络基础 TCP/IP协议

TCP/IP 的分层管理

TCP/IP 协议族里重要的一点就是分层。TCP/IP 协议族按层次分别分 为以下 5 层:应用层、传输层、网络层和数据链路层、物理层。

  • 应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。 TCP/IP 协议族内预存了各类通用的应用服务。比如,FTP(File Transfer Protocol,文件传输协议)和 DNS(Domain Name System,域 名系统)服务就是其中两类。 HTTP 协议也处于该层。

  • 传输层 传输层对上层应用层,提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据 传输。 在传输层有两个性质不同的协议:TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)和 UDP(User Data Protocol,用户数据报 协议)。

  • 网络层(又名网络互连层) 网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数 据单位。该层规定了通过怎样的路径(所谓的传输路线)到达对方计 算机,并把数据包传送给对方。 与对方计算机之间通过多台计算机或网络设备进行传输时,网络层所 起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

  • 数据链路层(又名数据链路层,网络接口层) 用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱 动、NIC(Network Interface Card,网络适配器,即网卡),及光纤等 物理可见部分(还包括连接

  • 物理层(physical layer)的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送,尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异, 使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。

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负责传输的IP协议

IP 协议的作用是把各种数据包传送给对方。而要保证确实传送到对方 那里,则需要满足各类条件。其中两个重要的条件是 IP 地址和 MAC 地址(Media Access Control Address)。

IP 地址指明了节点被分配到的地址,MAC 地址是指网卡所属的固定 地址。IP 地址可以和 MAC 地址进行配对。IP 地址可变换,但 MAC 地址基本上不会更改。

IP 间的通信依赖 MAC 地址。在网络上,通信的双方在同一局域网 (LAN)内的情况是很少的,通常是经过多台计算机和网络设备中转 才能连接到对方。而在进行中转时,会利用下一站中转设备的 MAC 地址来搜索下一个中转目标。这时,会采用 ARP 协议(Address Resolution Protocol)。ARP 是一种用以解析地址的协议,根据通信方 的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址。

没有人能够全面掌握互联网中的传输状况,在到达通信目标前的中转过程中,那些计算机和路由器等网络设备只 能获悉很粗略的传输路线。这种机制称为路由选择(routing),有点像快递公司的送货过程。想要寄快递的人,只要将自己的货物送到集散中心,该快递公司的集散中心检查货物的送达地址,明 确下站该送往哪个区域的集散中心。接着,那个区域的集散中心自会 判断是否能送到对方的家中。

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负责确保可靠性的TCP协议

TCP 位于传输层,提供可靠的字节流服务。字节流服务(Byte Stream Service)是指,为了方便传输,将大 块数据分割成以报文段(segment)为单位的数据包进行管理。而可 靠的传输服务是指,能够把数据准确可靠地传给对方。一句话总结, TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割,而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。

三次握手

为了准确无误地将数据送达目标处,TCP 协议采用了三次握手 (three-way handshaking)策略。用 TCP 协议把数据包送出去后,TCP 不会对传送后的情况置之不理,它一定会向对方确认是否成功送达。

握手过程中使用了 TCP 的标志(flag) —— SYN(synchronize) 和 ACK(acknowledgement)。

1.发送端首先发送一个带 SYN 标志的数据包给对方。
2.接收端收到后, 回传一个带有 SYN/ACK 标志的数据包以示传达确认信息。
3.最后,发送端再回传一个带 ACK 标志的数据包,代表“握手”结束。

若在握手过程中某个阶段莫名中断,TCP 协议会再次以相同的顺序发 送相同的数据包。

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为什么要三次握手

三次握手的目的是建立可靠的通信信道,说到通讯,简单来说就是数据的发送与接收,而三次握手最主要的目的就是双方确认自己与对方的发送与接收是正常的。

第一次握手:Client 什么都不能确认;Server 确认了对方发送正常,自己接收正常

第二次握手:Client 确认了:自己发送、接收正常,对方发送、接收正常;Server 确认了:对方发送正常,自己接收正常

第三次握手:Client 确认了:自己发送、接收正常,对方发送、接收正常;Server 确认了:自己发送、接收正常,对方发送、接收正常

所以三次握手就能确认双发收发功能都正常,缺一不可。

第2次握手传回了ACK,为什么还要传回SYN?

接收端传回发送端所发送的ACK是为了告诉客户端,我接收到的信息确实就是你所发送的信号了,这表明从客户端到服务端的通信是正常的。而回传SYN则是为了建立并确认从服务端到客户端的通信。

四次挥手

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断开一个 TCP 连接则需要“四次挥手”:

客户端-发送一个 FIN,用来关闭客户端到服务器的数据传送
服务器-收到这个 FIN,它发回一 个 ACK,确认序号为收到的序号加1 。和 SYN 一样,一个 FIN 将占用一个序号
服务器-关闭与客户端的连接,发送一个FIN给客户端
客户端-发回 ACK 报文确认,并将确认序号设置为收到序号加1
任何一方都可以在数据传送结束后发出连接释放的通知,待对方确认后进入半关闭状态。当另一方也没有数据再发送的时候,则发出连接释放通知,对方确认后就完全关闭了TCP连接。

举个例子:A 和 B 打电话,通话即将结束后,A 说“我没啥要说的了”,B回答“我知道了”,但是 B 可能还会有要说的话,A 不能要求 B 跟着自己的节奏结束通话,于是 B 可能又巴拉巴拉说了一通,最后 B 说“我说完了”,A 回答“知道了”,这样通话才算结束。

TCP,UDP 协议的区别

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  • UDP 在传送数据之前不需要先建立连接,远地主机在收到 UDP 报文后,不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付,但在某些情况下 UDP 确是一种最有效的工作方式(一般用于即时通信),比如: QQ 语音、 QQ 视频 、直播等等

  • TCP 提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接,数据传送结束后要释放连接。 TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的,面向连接的传输服务(TCP的可靠体现在TCP在传递数据之前,会有三次握手来建立连接,而且在数据传递时,有确认、窗口、重传、拥塞控制机制,在数据传完后,还会断开连接用来节约系统资源),这一难以避免增加了许多开销,如确认,流量控制,计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多,还要占用许多处理机资源。TCP 一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等场景。

TCP 协议如何保证可靠传输

  1. 应用数据被分割成 TCP 认为最适合发送的数据块。
  2. TCP 给发送的每一个包进行编号,接收方对数据包进行排序,把有序数据传送给应用层。
  3. 校验和:TCP 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和,目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错,TCP 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段。
  4. TCP 的接收端会丢弃重复的数据。
  5. 流量控制: TCP 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间,TCP的接收端只允许发送端发送接收端缓冲区能接纳的数据。当接收方来不及处理发送方的数据,能提示发送方降低发送的速率,防止包丢失。TCP 使用的流量控制协议是可变大小的滑动窗口协议。 (TCP 利用滑动窗口实现流量控制)
  6. 拥塞控制: 当网络拥塞时,减少数据的发送。
  7. ARQ协议: 也是为了实现可靠传输的,它的基本原理就是每发完一个分组就停止发送,等待对方确认。在收到确认后再发下一个分组。
  8. 超时重传: 当 TCP 发出一个段后,它启动一个定时器,等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认,将重发这个报文段。

负责域名解析的DNS服务

DNS(Domain Name System)服务是和 HTTP 协议一样位于应用层的 协议。它提供域名到 IP 地址之间的解析服务。

域名比较符合人类的记忆习惯,但是计算机擅长的事处理一长串数字,为了解决上述的问题,DNS 服务应运而生。DNS 协议提供通过域名 查找 IP 地址,或逆向从 IP 地址反查域名的服务。
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浏览器发起一次HTTP请求的过程

HTTP 协议密不可分的 TCP/IP 协议族中的各种协议后,我 们再通过这张图来了解下 IP 协议、TCP 协议和 DNS 服务在使用 HTTP 协议的通信过程中各自发挥了哪些作用。
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总体来说分为以下几个过程:
DNS解析
TCP连接
发送HTTP请求
服务器处理请求并返回HTTP报文
浏览器解析渲染页面
连接结束

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URI 和 URL 的区别

URL是 URI 的子集:

  • URI(Uniform Resource Identifier) 是统一资源标志符,可以唯一标识一个资源。
  • URL(Uniform Resource Location) 是统一资源定位符,可以提供该资源的路径。它是一种具体的 URI,即 URL 可以用来标识一个资源,而且还指明了如何 locate 这个资源。

种 URI 例子:
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参考文献

《图解HTTP》
计算机网络基础