前端需要知道的计算机网络知识

1 Web 机制

无论通过有线方式 (通常是网线) 还是无线方式（比如 wifi 或蓝牙)，通信需要进行连接，网络上的每台计算机需要链接到路由器（router）。

路由器确保从一台计算机上发出的一条信息可以到达正确的计算机。计算机连接路由器，接着路由器连接路由器，可以通过电话基础设施相互连接，并把网络连接到管理特殊路由器的互联网服务提供商（ISP），这些路由器连接其他 ISP 的路由器。

调制解调器（modem）可以把网络信息变成电话设施可以处理的信息。网络消息可以被 ISP 捕获并发送到相应的网络。

互联网就是由这些所有的网络设施所组成。互联网是基础设施，网络是建立在这种基础设施之上的服务。

超链接（Hyperlink），通常简称为链接（link）。大多数链接将两个网页相连。而锚将一个网页中的两个段落相连。当点击指向锚点的链接时，浏览器跳转到当前文档的另一部分，而不是加载新文档。内链是自己的网页之间的链接。外链是从自己的网页链接到其他人的网页的链接。传入链接是从其他人的网页链接到自己的网页的链接。链接对网站用户和搜索引擎都很重要，链接的可见文本会影响搜索结果对特定 URL 的搜索。一个网页拥有的链接越多，它在搜索结果中的排名就越靠前。外部链接会影响源网页和目标网页的搜索排名，但具体影响程度尚不清楚。

连接到互联网的计算机被称作客户端和服务器。客户端是典型的 Web 用户入网设备（比如连接了 Wi-Fi 的计算机，或接入移动网络的手机）和设备上可联网的软件（比如 Firefox 和 Chrome 的浏览器）。服务器是存储网页，站点和应用的计算机。当一个客户端设备想要获取一个网页时，一份网页的拷贝将从服务器上下载到客户端机器上来在用户浏览器上显示。

网络服务器（web server）：一台托管一个或多个网站的计算机。可以代指硬件或软件，或者是它们协同工作的整体。硬件部分是一台存储了 web 服务器软件以及网站的组成文件（比如，HTML 文档、图片、CSS 样式表和 JavaScript 文件）的计算机。它接入到互联网并且支持与其他连接到互联网的设备进行物理数据的交互。软件部分包括控制网络用户如何访问托管文件的几个部分，至少是一台 HTTP 服务器。一台 HTTP 服务器是一种能够理解 URL和 HTTP的软件。一个 HTTP 服务器可以通过它所存储的网站域名进行访问，并将这些托管网站的内容传递给最终用户的设备。

静态 web 服务器（static web server）由一个计算机（硬件）和一个 HTTP 服务器（软件）组成。称它为“静态”是因为这个服务器把它托管文件的“保持原样”地传送到你的浏览器。

动态 web 服务器（dynamic web server）由一个静态的网络服务器加上额外的软件组成，最普遍的是一个应用服务器和一个数据库。称它为“动态”是因为这个应用服务器会在通过 HTTP 服务器把托管文件传送到你的浏览器之前会对这些托管文件进行更新。

严格来说，可以在自己的计算机上托管所有的这些文件，但专用的 web 服务器上有以下优势：

专用 web 服务器可用性更强（会一直启动和运行）
除去停机时间和系统故障，专用 web 服务器总是连接到互联网。
专用 web 服务器可以一直拥有一样的 IP 地址，这也称为专有 IP 地址（不是所有的 ISP 都会为家庭线提供一个固定的 IP 地址）
专用 web 服务器往往由第三方提供者维护

网页（webpage）：一份能够显示在网络浏览器（如 Firefox,，Google Chrome，Microsoft Internet Explorer 或 Edge，Apple 的 Safari）上的文档。网页也常被称作"web pages"（网页）或者就叫"pages"（页面）。浏览器也能显示其他文档，例如 PDF 文件或图像，但网页（webpage）专指 HTML 文档。其他情况使用文档（document）。

网站（website）：网站是共享唯一域名的相互链接的网页的集合。网站常被称作"web site"（网站）或简称"site"（站点）。当网站只包含一个网页时，可称之为单页网站（single-page website）。

搜索引擎（search engine）：帮助寻找其他网页的网站，比如 Google，Bing，或 Yahoo。

CMS（内容管理系统，content management system）是一个允许用户发布、组织、修改、删除多种类型的内容的软件。CMS 不仅支持文本，还可以嵌入图片、视频、音频和互动的代码。

2 协议体系结构

协议（Protocol）是定义了数据如何在计算机内和之间进行交换的规则的系统。设备之间通信要求设备接受正在交换的数据的格式。定义格式的一组规则称之为协议。

OSI体系结构顺口溜：物联网叔会试用

物理层：主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。主要解决二进制数据到信号之间的互转问题。

功能：定义接口特性、传输模式（单工/半双工/双工）、传输速率，实现比特同步和比特编码；
工作设备：集线器、中继器。

数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧。作用是将数据在一个子网（广播域）内有效传输。

功能：成帧(定义帧的开始和结束)、差错控制（帧错+位错）、流量控制、访问(接入)控制（ 控制对信道的访问）；
工作设备：网桥、交换机。

网络层：把分组（IP数据报）从源主机传到目的主机（点到点），为分组交换网上的不同主机提供通信服务。主要解决如何定位目标以及如何寻找最优路径的问题。

功能：路由选择（最佳路径）、流量控制、差错控制、拥塞控制；
协议：IP/ARP（地址解析协议：根据IP获取物理地址）；
工作设备：路由器。

传输层：负责主机中「两个进程」的通信，即「端到端」的通信。传输单位是报文段或用户数据报；主要面向传输过程。

功能：可靠传输（TCP）或不可靠传输（UDP）、差错控制、流量控制、复用分用
复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务；
分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

会话层： 向表示层实体/用户进程提供「建立链接」并在连接上「有序」地「传输」数据。这是会话，也是建立「同步（SYN）」；功能：

建立、管理、终止会话；
使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步（适用于传输大文件）。

表示层：用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语义和语法）。功能：数据格式交换、加密解密、压缩和恢复

应用层：所有能和用户交互产生网络流量的程序。典型的网络应用：域名系统（DNS）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP、POP3）、万维网（HTTP）。面向互联网中的具体应用场景相关的消息格式。

发送消息时，消息从上到下进行打包，每一层会在上一层的基础上加包，而接受消息时，从下到上进行解包，最终得到原始信息。

分层的意义：利用分成的思想将复杂的问题简单化。

3 TCP 和 UDP

传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP 会校验包的交付。TCP 确保字节流在接收时维持它们的发送顺序。TCP 使用三次握手来建立连接和四次握手来中断连接。

用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol，又称用户数据包协议）是一种简单的面向数据包的无连接的传输层通信协议。用于在传输速度和效率比安全性和可靠性更重要的场合下发送数据。UDP 使用校验和保证数据完整性，使用端口号以区分数据发送方和接收方中不同的应用程序。它无需握手会话，即将不可靠的底层网络直接暴露给了用户的应用程序：不保证消息交付、不保证交付顺序也不保证消息不重复。

UDP 的协议栈避免了处理差错和纠错的开销。对时间敏感的应用程序通常使用 UDP，因为丢弃数据包比等待数据包重传（可能不是实时操作系统可接受的选项）更可取。

3.1 TCP和UDP的异同

（两者的异同即定义，因此直接列出异同）同为传输层协议；异：

TCP面向连接（可靠），UDP无连接（不可靠）
TCP面向字节流，UDP面向数据报
TCP支持1对1，UDP支持1对多、多对一、多对多
TCP首部开销大（20字节），UDP首部开销小（8字节）
TCP使用流量和拥塞控制，UDP不使用。
TCP可靠传输应用（文件传输、远程登录），UDP实时应用（IP电话，视频会议，直播）’

当数据传输的性能必须让位于数据传输的完整性、可控制性和可靠性时，TCP是更好的选择。当强调传输性能而不是传输的完整性时，UDP是更好的选择。

3.2 TCP三次握手

第一次握手：客户端进行连接请求——发送SYN= j包（SYN表示连接请求）,进入SYN_SEND状态，等待服务端确认（服务端确认：自己接收正常，对方发送正常）

第二次握手：服务端同意连接请求，返回SYN-ACK包，SYN（等于j表示是确认了该客户端的连接请求）、 ACK =1 （等于1表示有效ACK包，用于验证服务端到客户端通信是否正常）、 seq = y（服务端起始序列号）、ack = x+1（确认号，期望收到的下一个数据的开头），进入SYN-RCVD状态，等待客户端确认（客户端确认：自己发送接收正常，对方发送接收正常）

第三次握手：客户端收到确认包，发送ACK包，ACK=1，seq = x+1, ack = y + 1，发送完毕即双方进入ESTABLISHD 状态（服务端确认：自己发送正常，对方接收正常）

三次握手的目的就是双方确认自己与对方发送和接收是正常。

3.3 TCP四次挥手

第一次挥手：客户端发送一个断开连接的 FIN 报文：FIN=1（表示断开连接）、seq=u，主动关闭连接，进入FIN-WAIT1状态，等待服务端确认。

第二次挥手：服务端收到FIN报文，返回ACK报文：ACK = 1、ack= u + 1，seq = v，服务端进入CLOSE_WAIT 状态，此时客户端到服务端的连接释放。而客户端收到这个确认报文后进入FIN_WAIT2（终止等待2）状态（等待服务端的连接释放报文）

第三次挥手：服务端发送一个断开连接的 FIN 报文：FIN=1（表示断开连接）、ACK=1、seq=w、ack=u+1，主动关闭连接，进入LAST-ACK状态，等待客户端的确认。

第四次挥手：客户端收到服务端的FIN 报文后，返回确认报文段（ACK=1，seq=u+1，ack=w+1），客户端进入TIME_WAIT（时间等待）状态。等待2MSL时间后客户端进入CLOSE状态（1.ACK有可能丢失，从而导致处在LAST-ACK状态的服务器收不到对FIN-ACK的确认报文。服务器会超时重传这个FIN-ACK 2.使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失）。

四次挥手的原因：服务端收到FIN报文时，很可能仍然有数据发送，因此服务端返回的确认客户端FIN报文的ACK报文需要和服务端断开连接的FIN报文分开发送。

3.4 TCP的可靠传输

流量控制：通过滑动窗口限制发送方的发送速率来保证接收方来得及接收实现流量控制，其中滑动窗口的大小由接收方返回的确认报文中的窗口大小字段来决定。

差错控制：检验报文段首部和数据的检验和，把检验和有差错的报文进行丢弃和不确认。

超时重传：发送方超过定时器时间未收到确认即进行重传

重复丢弃：接收端对重复报文段只确认一次，其余丢弃

ARQ（自动重传请求）：1. 停止等待ARQ 2. 连续ARQ；

区别在于前者发送方每发送一个报文段后即等待确认（确认报文段丢失：丢弃发送方发送的重复消息，不向上层交付并再向发送方发送确认消息。确认报文段迟到：发送方收到重复的确认和接收方收到重复的消息都直接丢弃。），而后者发送方连续发送，接收方进行累计确认。

拥塞控制：采用慢开始（初始值为1，指数段）、拥塞避免（线性段）、快重传和快恢复策略，具体过程：慢开始到初始门限值ssthresh后进入拥塞避免端直到拥塞（标志：三个重复 ACK），先优先快重传丢失的报文段，然后更新ssthresh门限值为拥塞的一半，后续报文段进入快恢复（初始值为新ssthresh门限值）阶段继续拥塞避免（线性段）。

4 DNS

DNS（Domain Name System）域名系统，是一个层次化、分散化的互联网连接资源命名系统。DNS 维护着一个域名列表以及与之相关联的资源（即 IP 地址）。

域名是在互联网的网站的地址。域名被用于URL识别一个服务器属于哪个特定的网站。域名包含由句号点（”.“）分隔的标签（名称）的分级序列并以TLD作为结尾，不同于中文书写顺序，它需要从右到左阅读。二级域 (SLD，Secondary Level Domain)是刚好位于 TLD 前面的标签。一个域名可以有多个标签（或者说是组件、名称），没有强制规定必须要 3 个标签来构成域名。

TLD（顶级域）是互联网分层 DNS（域名系统）中最通用的域，且是作为域名的最后一个组成部分。顶级域既可以包含拉丁字母，也可以包含特殊字符。顶级域名最长可以达到 63 个字符，为了使用方便，大多数顶级域都是两到三个字符。ICANN（互联网名称与数字地址分配机构）指定组织来管理每个 TLD。根据管理组织的严格程度，TLD 通常可以作为网站目的、所有权或国籍的线索。IANA 区分了以下几组顶级域：

国家/地区代码顶级域 (ccTLD，country-code top-level domains)：为国家或地区建立的二字符域。
国际化国家代码顶级域 (IDN ccTLD)：非拉丁字符集（例如阿拉伯语或中文）的 ccTLD。
通用顶级域 (gTLD)：具有三个或更多字符的顶级域。
非赞助顶级域：直接根据 ICANN 流程为全球互联网社区制定的政策运营的域，例如“com”和“edu”。
赞助顶级域：由私人组织提议和赞助，这些组织根据社区主题概念决定申请人是否有资格使用 TLD。
基础设施顶级域：该组仅由一个域组成，即地址和路由参数区域 (arpa)，尤其是用于反向 DNS 查找。

DNS 最突出的功能是将易于记忆的域名翻译成为数字化的IP地址；从域名到 IP 地址的映射过程被称为DNS 查询（DNS lookup）。而DNS 反向查询（rDNS）用来找到与 IP 地址对应的域名。

DNS 数据库存储在全球每个 DNS 服务器上，所有这些服务器都源于 (refer to) 几个被称为“权威名称服务器”或“顶级 DNS 服务器”。只要您的注册商创建或更新给定域名的任何信息，信息就必须在每个 DNS 数据库中刷新。知道给定域名的每个 DNS 服务器都会存储一段时间的信息，然后再次刷新（DNS 服务器再次查询权威服务器）。因此，知道此域名的 DNS 服务器需要些时间才能获取最新信息，这个时间一般被称为传播时间。然而这个术语是不精准的，因为更新本身没有传播 (top → down)。被计算机(down) 查询的 DNS 服务器只在它需要的时候才从权威服务器 (top) 中获取信息。。

使用TCP：辅域名服务器会定时（一般3小时）向主域名服务器查询数据是否有变动。如有变动，则会执行一次区域传送，进行数据同步。区域传送使用TCP是因为传送的数据量比一个请求/应答的数据量要多得多，而且需要保证数据的准确性。

使用UDP：目的是避免使用 TCP 协议造成的连接时延。因为得到一个域名的 IP 地址，往往会向多个域名服务器查询，如果使用 TCP 协议，那么每次请求都会存在连接时延，会使得 DNS 服务变得很慢，导致网页等待时间过长。