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3. 计算机基础

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3.1 计算机网络

OSI 七层模型是什么？每一层的作用是什么？

OSI 七层模型 是国际标准化组织提出一个网络分层模型，其大体结构以及每一层提供的功能如下图所示：

每一层都专注做一件事情，并且每一层都需要使用下一层提供的功能比如传输层需要使用网络层提供的路由和寻址功能，这样传输层才知道把数据传输到哪里去。

OSI 的七层体系结构概念清楚，理论也很完整，但是它比较复杂而且不实用，而且有些功能在多个层中重复出现。

上面这种图可能比较抽象，再来一个比较生动的图片。下面这个图片是我在国外的一个网站上看到的，非常赞！

既然 OSI 七层模型这么厉害，为什么干不过 TCP/IP 四 层模型呢？

的确，OSI 七层模型当时一直被一些大公司甚至一些国家政府支持。这样的背景下，为什么会失败呢？我觉得主要有下面几方面原因：

1. OSI 的专家缺乏实际经验，他们在完成 OSI 标准时缺乏商业驱动力
2. OSI 的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低
3. OSI 制定标准的周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场（20 世纪 90 年代初期，虽然整套的 OSI 国际标准都已经制定出来，但基于 TCP/IP 的互联网已经抢先在全球相当大的范围成功运行了）
4. OSI 的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

OSI 七层模型虽然失败了，但是却提供了很多不错的理论基础。为了更好地去了解网络分层，OSI 七层模型还是非常有必要学习的。

最后再分享一个关于 OSI 七层模型非常不错的总结图片！

TCP/IP 四层模型是什么？每一层的作用是什么？

TCP/IP 四层模型 是目前被广泛采用的一种模型,我们可以将 TCP / IP 模型看作是 OSI 七层模型的精简版本，由以下 4 层组成：

1. 应用层
2. 传输层
3. 网络层
4. 网络接口层

需要注意的是，我们并不能将 TCP/IP 四层模型 和 OSI 七层模型完全精确地匹配起来，不过可以简单将两者对应起来，如下图所示：

应用层（Application layer）

应用层位于传输层之上，主要提供两个终端设备上的应用程序之间信息交换的服务，它定义了信息交换的格式，消息会交给下一层传输层来传输。 我们把应用层交互的数据单元称为报文。

应用层协议定义了网络通信规则，对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，如支持 Web 应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议等等。

应用层常见协议总结，请看这篇文章：应用层常见协议总结（应用层）。

传输层（Transport layer）

传输层的主要任务就是负责向两台终端设备进程之间的通信提供通用的数据传输服务。 应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的”是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。

运输层主要使用以下两种协议：

1. 传输控制协议 TCP（Transmisson Control Protocol）--提供 面向连接 的，可靠的 数据传输服务。
2. 用户数据协议 UDP（User Datagram Protocol）--提供 无连接 的，尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。

网络层（Network layer）

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP/IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报，简称数据报。

⚠️注意 ：不要把运输层的“用户数据报 UDP”和网络层的“IP 数据报”弄混。

网络层的还有一个任务就是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能通过网络层中的路由器找到目的主机。

这里强调指出，网络层中的“网络”二字已经不是我们通常谈到的具体网络，而是指计算机网络体系结构模型中第三层的名称。

互联网是由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议（Intert Prococol）和许多路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做 网际层 或 IP 层。

网络层常见协议 ：

• IP:网际协议 ：网际协议 IP 是TCP/IP协议中最重要的协议之一，也是网络层最重要的协议之一，IP协议的作用包括寻址规约、定义数据包的格式等等，是网络层信息传输的主力协议。目前IP协议主要分为两种，一种是过去的IPv4，另一种是较新的IPv6，目前这两种协议都在使用，但后者已经被提议来取代前者。
• ARP 协议 ：ARP协议，全称地址解析协议（Address Resolution Protocol），它解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题。因为一个IP数据报在物理上传输的过程中，总是需要知道下一跳（物理上的下一个目的地）该去往何处，但IP地址属于逻辑地址，而MAC地址才是物理地址，ARP协议解决了IP地址转MAC地址的一些问题。
• NAT:网络地址转换协议 ：NAT协议（Network Address Translation）的应用场景如同它的名称——网络地址转换，应用于内部网到外部网的地址转换过程中。具体地说，在一个小的子网（局域网，LAN）内，各主机使用的是同一个LAN下的IP地址，但在该LAN以外，在广域网（WAN）中，需要一个统一的IP地址来标识该LAN在整个Internet上的位置。
• ......

网络接口层（Network interface layer）

我们可以把网络接口层看作是数据链路层和物理层的合体。

1. 数据链路层(data link layer)通常简称为链路层（ 两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的）。数据链路层的作用是将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。
2. 物理层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

总结

简单总结一下每一层包含的协议和核心技术:

应用层协议 :

• HTTP 协议（超文本传输协议，网页浏览常用的协议）
• DHCP 协议（动态主机配置）
• DNS 系统原理（域名系统）
• FTP 协议（文件传输协议）
• Telnet协议（远程登陆协议）
• 电子邮件协议等（SMTP、POP3、IMAP）
• ......

传输层协议 :

• TCP 协议
  • 报文段结构
  • 可靠数据传输
  • 流量控制
  • 拥塞控制
• UDP 协议
  • 报文段结构
  • RDT（可靠数据传输协议）

网络层协议 :

• IP 协议（TCP/IP 协议的基础，分为 IPv4 和 IPv6）
• ARP 协议（地址解析协议，用于解析 IP 地址和 MAC 地址之间的映射）
• ICMP 协议（控制报文协议，用于发送控制消息）
• NAT 协议（网络地址转换协议）
• RIP 协议、OSPF 协议、BGP 协议（路由选择协议）
• ......

网络接口层 :

• 差错检测技术
• 多路访问协议（信道复用技术）
• CSMA/CD 协议
• MAC 协议
• 以太网技术
• ......

为什么网络要分层？

说到分层，我们先从我们平时使用框架开发一个后台程序来说，我们往往会按照每一层做不同的事情的原则将系统分为三层（复杂的系统分层会更多）:

1. Repository（数据库操作）
2. Service（业务操作）
3. Controller（前后端数据交互）

复杂的系统需要分层，因为每一层都需要专注于一类事情。网络分层的原因也是一样，每一层只专注于做一类事情。

好了，再来说回：“为什么网络要分层？”。我觉得主要有 3 方面的原因：

1. 各层之间相互独立：各层之间相互独立，各层之间不需要关心其他层是如何实现的，只需要知道自己如何调用下层提供好的功能就可以了（可以简单理解为接口调用）。这个和我们对开发时系统进行分层是一个道理。
2. 提高了整体灵活性 ：每一层都可以使用最适合的技术来实现，你只需要保证你提供的功能以及暴露的接口的规则没有改变就行了。这个和我们平时开发系统的时候要求的高内聚、低耦合的原则也是可以对应上的。
3. 大问题化小 ： 分层可以将复杂的网络间题分解为许多比较小的、界线比较清晰简单的小问题来处理和解决。这样使得复杂的计算机网络系统变得易于设计，实现和标准化。 这个和我们平时开发的时候，一般会将系统功能分解，然后将复杂的问题分解为容易理解的更小的问题是相对应的，这些较小的问题具有更好的边界（目标和接口）定义。

我想到了计算机世界非常非常有名的一句话，这里分享一下：

计算机科学领域的任何问题都可以通过增加一个间接的中间层来解决，计算机整个体系从上到下都是按照严格的层次结构设计的。

TCP 与 UDP 的区别（重要）

1. 是否面向连接 ：UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。而 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。
2. 是否是可靠传输：远地主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认，并且不保证数据不丢失，不保证是否顺序到达。TCP 提供可靠的传输服务，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。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
3. 是否有状态 ：这个和上面的“是否可靠传输”相对应。TCP 传输是有状态的，这个有状态说的是 TCP 会去记录自己发送消息的状态比如消息是否发送了、是否被接收了等等。为此 ，TCP 需要维持复杂的连接状态表。而 UDP 是无状态服务，简单来说就是不管发出去之后的事情了（这很渣男！）。
4. 传输效率 ：由于使用 TCP 进行传输的时候多了连接、确认、重传等机制，所以 TCP 的传输效率要比 UDP 低很多。
5. 传输形式 ： TCP 是面向字节流的，UDP 是面向报文的。
6. 首部开销 ：TCP 首部开销（20 ～ 60 字节）比 UDP 首部开销（8 字节）要大。
7. 是否提供广播或多播服务 ：TCP 只支持点对点通信，UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多；
8. ......

我把上面总结的内容通过表格形式展示出来了！确定不点个赞嘛？

	TCP	UDP
是否面向连接	是	否
是否可靠	是	否
是否有状态	是	否
传输效率	较慢	较快
传输形式	字节流	数据报文段
首部开销	20 ～ 60 bytes	8 bytes
是否提供广播或多播服务	否	是

什么时候选择 TCP,什么时候选 UDP?

• UDP 一般用于即时通信，比如： 语音、 视频 、直播等等。这些场景对传输数据的准确性要求不是特别高，比如你看视频即使少个一两帧，实际给人的感觉区别也不大。
• TCP 用于对传输准确性要求特别高的场景，比如文件传输、发送和接收邮件、远程登录等等。

使用 TCP 的协议有哪些?使用 UDP 的协议有哪些?

运行于 TCP 协议之上的协议 ：

1. HTTP 协议 ：超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol)主要是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的。当我们使用浏览器浏览网页的时候，我们网页就是通过 HTTP 请求进行加载的。
2. HTTPS 协议 ：更安全的超文本传输协议(HTTPS,Hypertext Transfer Protocol Secure)，身披 SSL 外衣的 HTTP 协议
3. FTP 协议：文件传输协议 FTP（File Transfer Protocol），提供文件传输服务，基于 TCP 实现可靠的传输。使用 FTP 传输文件的好处是可以屏蔽操作系统和文件存储方式。
4. SMTP 协议：简单邮件传输协议（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol）的缩写，基于 TCP 协议，用来发送电子邮件。注意 ⚠️：接受邮件的协议不是 SMTP 而是 POP3 协议。
5. POP3/IMAP 协议： POP3 和 IMAP 两者都是负责邮件接收的协议。
6. Telent 协议：远程登陆协议，通过一个终端登陆到其他服务器。被一种称为 SSH 的非常安全的协议所取代。
7. SSH 协议 : SSH（ Secure Shell）是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。SSH 建立在可靠的传输协议 TCP 之上。
8. ......

运行于 UDP 协议之上的协议 ：

1. DHCP 协议：动态主机配置协议，动态配置 IP 地址
2. DNS ： 域名系统（DNS，Domain Name System）将人类可读的域名 (例如，www.baidu.com) 转换为机器可读的 IP 地址 (例如，220.181.38.148)。 我们可以将其理解为专为互联网设计的电话薄。实际上 DNS 同时支持 UDP 和 TCP 协议。

TCP 三次握手和四次挥手（非常重要）

相关面试题 ：

• 为什么要三次握手?
• 第 2 次握手传回了ACK，为什么还要传回SYN？
• 为什么要四次挥手？
• 为什么不能把服务器发送的 ACK 和 FIN 合并起来，变成三次挥手？
• 如果第二次挥手时服务器的 ACK 没有送达客户端，会怎样？
• 为什么第四次挥手客户端需要等待 2*MSL（报文段最长寿命）时间后才进入 CLOSED 状态？

参考答案 ：TCP 三次握手和四次挥手（传输层） 。

TCP 如何保证传输的可靠性？（重要）

TCP 传输可靠性保障（传输层）

从输入URL 到页面展示到底发生了什么？（非常重要）

类似的问题：打开一个网页，整个过程会使用哪些协议？

图解（图片来源：《图解 HTTP》）：

上图有一个错误，请注意，是 OSPF 不是 OPSF。 OSPF（Open Shortest Path First，ospf）开放最短路径优先协议, 是由 Internet 工程任务组开发的路由选择协议

总体来说分为以下几个过程:

1. DNS 解析
2. TCP 连接
3. 发送 HTTP 请求
4. 服务器处理请求并返回 HTTP 报文
5. 浏览器解析渲染页面
6. 连接结束

具体可以参考下面这两篇文章：

• 从输入URL到页面加载发生了什么？
• 浏览器从输入网址到页面展示的过程

HTTP 状态码有哪些？

HTTP 状态码用于描述 HTTP 请求的结果，比如2xx 就代表请求被成功处理。

关于 HTTP 状态码更详细的总结，可以看我写的这篇文章：HTTP 常见状态码总结（应用层）。

HTTP 和 HTTPS 有什么区别？（重要）

• 端口号 ：HTTP 默认是 80，HTTPS 默认是 443。
• URL 前缀 ：HTTP 的 URL 前缀是 http://，HTTPS 的 URL 前缀是 https://。
• 安全性和资源消耗 ： HTTP 协议运行在 TCP 之上，所有传输的内容都是明文，客户端和服务器端都无法验证对方的身份。HTTPS 是运行在 SSL/TLS 之上的 HTTP 协议，SSL/TLS 运行在 TCP 之上。所有传输的内容都经过加密，加密采用对称加密，但对称加密的密钥用服务器方的证书进行了非对称加密。所以说，HTTP 安全性没有 HTTPS 高，但是 HTTPS 比 HTTP 耗费更多服务器资源。

关于 HTTP 和 HTTPS 更详细的对比总结，可以看我写的这篇文章：HTTP vs HTTPS（应用层） 。

HTTP 1.0 和 HTTP 1.1 有什么区别？

• 连接方式 : HTTP 1.0 为短连接，HTTP 1.1 支持长连接。
• 状态响应码 : HTTP/1.1中新加入了大量的状态码，光是错误响应状态码就新增了24种。比如说，100 (Continue)——在请求大资源前的预热请求，206 (Partial Content)——范围请求的标识码，409 (Conflict)——请求与当前资源的规定冲突，410 (Gone)——资源已被永久转移，而且没有任何已知的转发地址。
• 缓存处理 : 在 HTTP1.0 中主要使用 header 里的 If-Modified-Since,Expires 来做为缓存判断的标准，HTTP1.1 则引入了更多的缓存控制策略例如 Entity tag，If-Unmodified-Since, If-Match, If-None-Match 等更多可供选择的缓存头来控制缓存策略。
• 带宽优化及网络连接的使用 :HTTP1.0 中，存在一些浪费带宽的现象，例如客户端只是需要某个对象的一部分，而服务器却将整个对象送过来了，并且不支持断点续传功能，HTTP1.1 则在请求头引入了 range 头域，它允许只请求资源的某个部分，即返回码是 206（Partial Content），这样就方便了开发者自由的选择以便于充分利用带宽和连接。
• Host头处理 : HTTP/1.1在请求头中加入了Host字段。

关于 HTTP 1.0 和 HTTP 1.1 更详细的对比总结，可以看我写的这篇文章：HTTP 1.0 vs HTTP 1.1（应用层） 。

HTTP 是不保存状态的协议, 如何保存用户状态?

HTTP 是一种不保存状态，即无状态（stateless）协议。也就是说 HTTP 协议自身不对请求和响应之间的通信状态进行保存。那么我们保存用户状态呢？Session 机制的存在就是为了解决这个问题，Session 的主要作用就是通过服务端记录用户的状态。典型的场景是购物车，当你要添加商品到购物车的时候，系统不知道是哪个用户操作的，因为 HTTP 协议是无状态的。服务端给特定的用户创建特定的 Session 之后就可以标识这个用户并且跟踪这个用户了（一般情况下，服务器会在一定时间内保存这个 Session，过了时间限制，就会销毁这个 Session）。

在服务端保存 Session 的方法很多，最常用的就是内存和数据库(比如是使用内存数据库 redis 保存)。既然 Session 存放在服务器端，那么我们如何实现 Session 跟踪呢？大部分情况下，我们都是通过在 Cookie 中附加一个 Session ID 来方式来跟踪。

Cookie 被禁用怎么办?

最常用的就是利用 URL 重写把 Session ID 直接附加在 URL 路径的后面。

URI 和 URL 的区别是什么?

• 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 Locator) 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。

URI 的作用像身份证号一样，URL 的作用更像家庭住址一样。URL 是一种具体的 URI，它不仅唯一标识资源，而且还提供了定位该资源的信息。