网络协议系列文章

网络协议(一)：基本概念、计算机之间的连接方式

网络协议(二)：MAC地址、IP地址、子网掩码、子网和超网

网络协议(三)：路由器原理及数据包传输过程

网络协议(四)：网络分类、ISP、上网方式、公网私网、NAT

网络协议(五)：网络互联模型、物理层、数据链路层

网络协议(六)：网络层（版本、首部长度、区分服务、总长度、 标识、标志、片偏移生存时间、协议、首部校验和）

网络协议(七)：传输层-UDP

网络协议(八)：传输层-TCP（可靠性传输、拥塞控制、建立连接-三次握手、释放连接-四次挥手）

网络协议(九)：应用层（域名、DNS、DHCP）

网络协议(十)：HTTP（报文格式、请求方法、头部字段、状态码、跨域）

网络协议(十一)：单向散列函数、对称加密、非对称加密、混合密码系统、数字签名、证书

网络协议(十二)：HTTPS（SSL/TLS、TLS1.2的连接）

网络协议(十三)：HTTP/1.1的升级改进（HTTP/2、HTTP/3）

网络协议(十四)：WebSocket、WebService、RESTful、IPv6、网络爬虫、HTTP缓存

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一、WebSocket

• Socket 是一套网络编程API，利用它可以建立网络连接，一般都是操作系统底层实现的
• WebSocket 是一个网络协议

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• HTTP请求的特点：通信只能由客户端发起。所以，早期很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询
• 轮询：由浏览器每隔一段时间（如每秒）向服务器发出HTTP请求，然后服务器返回最新的数据给客户端
• 为了能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯，HTML5规范中出现了WebSocket协议

WebSocket，是基于TCP的支持全双工通信的应用层协议

• 在2011年由IETF标准化为 RFC 6455，后由 RFC 7936 补充规范
• 客户端、服务器，任何一方都可以主动发消息给对方
• WebSocket 的应用场景很多
  • 社交订阅、股票基金报价、体育实况更新、多媒体聊天、多玩家游戏等
• WebSocket 和 HTTP 属于平级关系，都是应用层的协议
  • 其实TCP本身就是支持全双工通信的（客户端、服务器均可主动发消息给对方）
  • 只是HTTP的 “请求-应答模式” 限制了TCP的能力
• WebSocket 使用 80(ws://)、443(wss://) 端口，可以绕过大多数防火墙的限制
  • ws://example.com/wsapi
  • wss://secure.example.com/wsapi
• 与 HTTP 不同的是，WebSocket 需要先建立连接
  • 这就使得WebSocket成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息
  • 而HTTP请求可能需要在每个请求都额外携带状态信息（如身份认证等）

WebSocket 使用

• WebSocket 体验和演示：https://www.websocket.org/echo.html
• W3C 标准化了一套 WebSocket API，可以直接使用JS调用：
  • let ws = new WebSocket(‘wss://example.com’)

WebSocket - 建立连接

• WebSocket 需要借助 HTTP协议来建立连接（也叫作握手，Handshake）
  • 由客户端（浏览器）主动发出握手请求

二、WebService

• WebService，译为：Web服务，是一种跨编程语言和跨操作系统的远程调用技术标准
• 其实 WebService 是比较老的技术，放到现在已经可以由普通的 Web API 取代
• WebService使用场景举例
  • 天气预报、手机归属地查询、航班信息查询、物流信息查询等
  • 比如天气预报，是气象局把自己的服务以WebService形式暴露出来，让第三方程序可以调用这些服务功能
  • http://www.webxml.com.cn/zh_cn/index.aspx
• 事实上，WebService完全可以用普通的 Web API 取代（比如HTTP + JSON）

SOAP (Simple Object Access Protocol)，译为：简单对象访问协议

• 很多时候，SOAP = HTTP + XML
• WebService 使用 SOAP协议 来封装传递数据

WSDL (Web Services Description Language)，译为：Web服务描述语言

• 一个XML文档，用以描述WebService接口的细节（比如参数、返回值等）
• 一般在WebService的URL后面跟上 ?wsdl 获取WSDL信息
• http://ws.webxml.com.cn/WebServices/WeatherWS.asmx?wsdl

三、RESTful

• REST (REpresentational State Transfer)，表现层状态转移
• REST是一种互联网软件架构设计风格
  • 定义了一组用于创建Web服务的约束
  • 符合REST架构的Web服务，称为RESTful Web服务

RESTful 的实践建议

• URL中使用名词（建议用复数形式），不使用动词
  • 推荐：/users、/users/6
  • 不推荐：listsers、/getser?id=6，/uer/list、/user/get?id=6
• 使用 HTTP的请求方法 表达动作：

• 一个资源连接到其他资源，使用子资源的形式
  • GET /users/6/cars/8
  • POST /users/8/cars
• API 版本化
  • mj.com/v1/users
  • mj.com/v2/users/66
• 返回 JSON格式的数据

四、IPv6

• IPv6 (Internet Protocol version 6)，网际协议第6版
  • 用它来取代IPv4主要是为了解决IPv4地址枯竭问题，同时它也在其他方面对于IPv4有许多改进
  • 然而长期以来IPv4在互联网流量中仍占据主要地位，IPv6的使用增长缓慢
  • 在2019年12月，通过IPv6使用Google服务的用户百分率首次超过30%
  • 因为使用IPv6需要设备、操作系统内核升级支持IPv6，不像HTTP升级到HTTP2一样方便
• IPv6采用128位的地址，而IPv4使用的是32位
  • 支持2^128（约3.4 ∗ 10^38 ）个地址
  • 以地球人口70亿人计算，每人平均可分得约 4.86 ∗ 10^28个IPv6地址
  • 解决了IPv4地址枯竭问题

IPv6 - 地址格式

• IPv6地址为128bit，每16bit一组，共8组
• 每组以冒号 : 隔开，每组以4位十六进制方式表示
  • 例如 2001:0db8:86a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344
• 类似于IPv4的点分十进制，IPv6同样也存在点分十六进制的写法
  • 2.0.0.1.0.d.b.8.8.5.a.3.0.8.d.3.1.3.1.9.8.a.2.e.0.3.7.0.7.3.4.4
• 每组前面连续的0可以省略。下列IPv6地址是等价的：
  • 2001:0db8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13
  • 2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
• 双冒号 :: 表示一组0或多组连续的0，但只能出现一次。下列IPv6地址等价：
  • 2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
  • 2001:db8:2de::e13
• 2001::25de::cade 是非法的，因为双冒号:出现了两次，会造成歧义
  • 2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
  • 2001:0000:25de:0000:0000:0000:0000:cade
• ::1是本地环回地址：0:0:0:0:0:0:0:1
  • ping ::1 可以ping通本机

IPv6 - 首部格式

• IPv6 有40字节的固定首部

• Version (占4bit，0110)：版本号
• Traffic Class (占8bit)：交通类别
  • 指示数据包的类别或优先级，可以帮助路由器根据数据包的优先级处理流量
  • 如果路由器发生拥塞，则优先级最低的数据包将被丢弃
• Payload Length (占16bit)：有效负载长度
  • 最大值65535字节
  • 包括了扩展头部、上层（传输层）数据的长度首部格式
• Hop Limit (占8bit)：跳数限制
  • 与IPv4数据包中的TTL相同
• Source Address (占128bit)：源IPv6地址
• Destination Address (占128bit)：目的IPv6地址
• Flow Label (占20bit)：流标签
  • 指示数据包属于哪个特定序列（流）
  • 用数据包的源地址、目的地址、流标签标识一个流

IPv6 - 拓展头部

• Next Header(占8bit)：下一个头部
  • 指示扩展头部（如果存在）的类型、上层数据包的协议类型（例如TCP、UDP、ICMPv6）

五、网络爬虫

• 网络爬虫 (Web Crawler)，也叫做网络蜘蛛 (Web Spider)
  • 模拟人类使用浏览器操作页面的行为，对页面进行相关的操作
  • 常用爬虫工具：Python 的 Scrapy框架

网络爬虫的简易实例

• 爬虫目标：https://ext.se.360.cn/webstore/categor

import org.apache.commons.io.FileUtils;
import org.jsoup.Jsoup;
import org.jsoup.nodes.Document;
import org.jsoup.nodes.Element;
import org.jsoup.select.Elements;
import java.io.File;
import java.net.URL;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 请求网站：https://ext.se.360.cn/webstore/category
        // Jsoup使用CSS选择器来查找元素
        String dir = "C:/Users/yusael/Desktop/imgs/"; // 爬取后的存放路径
        String url = "https://ext.se.360.cn/webstore/category";
        Document doc = Jsoup.connect(url).get();
        Elements eles = doc.select(".applist .appwrap");
        for (Element ele : eles) {
            String img = ele.selectFirst("img").attr("src");
            String title = ele.selectFirst("h3").text();
            String intro = ele.selectFirst(".intro").text();

            // 下载图片
            String filepath = dir + (title + ".png");
            FileUtils.copyURLToFile(new URL(img), new File(filepath));
        }
    }
}

robots.txt

• robots.txt 是存放于网站根目录下的文本文件，比如 https://www.baidu.com/robots.txt
  • 用来告诉爬虫：哪些内容是不应被爬取的，哪些是可以被爬取的
  • 因为一些系统中的URL是大小写敏感的，所以 robots.txt 的文件名应统一为小写
• robots.txt 并不是一个规范，而只是约定俗成的，所以并不能保证网站的隐私
  • 只能防君子，不能防小人
  • 无法阻止不讲 “武德” 的年轻爬虫爬取隐私信息

六、HTTP 缓存（Cache）

• 实际上，HTTP 的缓存机制远远比上图的流程要复杂
• 通常会缓存的情况是：GET请求 + 静态资源（比如HTML、CSS、JS、图片等）
• Ctrl + F5：可以强制刷新缓存

缓存 - 响应头

• Pragma：作用类似于Cache-Control，HTTP/1.0的产物
• Expires：缓存的过期时间 (GMT格式时间)，HTTP/1.0的产物
• 在http协议中规定，所有时间都要转换为GMT时间，例如date: Sat, 19 May 2018 17:17:24 GMT
• Cache-Control：设置缓存策略
  • no-storage：不缓存数据到本地
  • public：允许用户、代理服务器缓存数据到本地
  • private：只允许用户缓存数据到本地
  • max-age：缓存的有效时间（多长时间不过期），单位秒
  • no-cache：每次需要发请求给服务器询问缓存是否有变化，再来决定如何使用缓存

优先级：Pragma > Cache-Control > Expires

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• Last-Modified：资源的最后一次修改时间
• ETag：资源的唯一标识（根据文件内容计算出来的摘要值）

优先级：ETag > Last-Modifie

缓存 - 请求头

• If-None-Match
  • 如果上一次的响应头中有ETag，就会将ETag的值作为请求头的值
  • 服务器发现资源的最新摘要值跟If-None-Match不匹配，就会返回新的资源 (200 OK)
  • 否则，就不会返回资源的具体数据 (304 Not Modified)
• If-Modified-Since
  • 如果上一次的响应头中没有ETag，有Last-Modified，就会将Last-Modified的值作为请求头的值
  • 如果服务器发现资源的最后一次修改时间晚于If-Modified-Since，就会返回新的资源 (200 OK)
  • 否则，就不会返回资源的具体数据 (304 Not Modified)

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• Last-Modified 缺陷
  • 只能精确到秒级别，如果资源在1秒内被修改了，客户端将无法获取最新的资源数据
  • 如果某些资源被修改了（最后一次修改时间发生了变化），但是内容并没有任何变化
    （比如在文本中敲个空格再删除）会导致相同数据重复传输，没有使用到缓存
• ETag 可以办到
  • 只要资源的内容没有变化，就不会重复传输资源数据
  • 只要资源的内容发生了变化，就会返回最新的资源数据给客户端

缓存的使用流程