【计算机网络】HTTP，DHCP， NTP&NAT

领头羊leo2024-12-17 10:56

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WWW with Uniform Resource Locators (URL)

主要内容：

万维网（WWW）简介：

首个WWW浏览器由Tim Berners-Lee在1990年开发。

WWW的流行推动了互联网的指数级增长。

WWW中的信息通常以HTML文件（网页）的形式提供。

URL（统一资源定位符）结构：

URL用来标识Web服务器上的任何文档。

URL组成：

协议名称（如HTTP、FTP、RTSP等）。

服务器域名或IP地址（如 www.example.com）。

资源路径（如 /example/index.html）。

HTTP and Web Service

主要内容：

HTTP协议：一种在Web服务中分发信息的应用层协议。

HTTP的工作模式：

  • 客户端/服务器架构：浏览器作为客户端向服务器发送请求。
  • 无状态：服务器不记录用户的历史请求。

分类：

非持久HTTP：每个请求都建立一个TCP连接，响应后立即关闭。
持久HTTP：多个请求共享一个TCP连接，效率更高。

相关技术：

  • HTTPS：HTTP的安全版本，数据加密传输。
  • HTTP/2和HTTP/3：优化传输速度的新版本。
  • Web cookie：用于存储用户的会话信息。
  • CDN（内容分发网络）：加速内容分发的网络架构。

HyperText Transfer Protocol (HTTP)

主要内容：

HTTP协议：

HTTP是一种分发Web信息的应用层协议，工作在TCP/IP协议之上。

工作流程：

浏览器作为客户端向服务器发送请求。

服务器在TCP端口（默认80）监听连接请求。

服务器发送响应内容（如HTML文件）。

无状态：

每个请求独立，服务器不存储会话信息。

单一TCP连接：

HTTP协议使用单个TCP连接来传输请求和响应。

浏览器可以使用嵌套对象（如图片、CSS文件）实现网页加载。

HTTP TCP Connections

主要内容：

TCP连接的建立：

客户端发起TCP连接到服务器的默认端口（80）。

建立TCP连接后，客户端通过HTTP发送请求。

HTTP的请求和响应：

客户端发送HTTP请求（包含请求的资源和方法，如GET、POST）。

服务器根据请求提供HTTP响应。

响应结束后，可能关闭TCP连接。

HTTP持久连接：

为提升效率，HTTP/1.1默认开启持久连接（连接保持活跃以处理后续请求）。

HTTP Messages

HTTP消息的结构：


  • 起始行（Start Line）：
    请求消息中为请求行（Request Line），如：GET /index.html HTTP/1.1
    响应消息中为状态行（Status Line），如：HTTP/1.1 200 OK
    头部字段（Optional Headers）：每个头部由"头部名: 值"组成，用于传递元信息。
  • 空行（Blank Line）：用于分隔头部和消息体。
  • 消息体（Data Body）：包含请求或响应的实际数据（如HTML内容）。

HTTP Request Message

GET：从服务器获取资源。

HEAD：仅获取资源的元信息。

POST：向服务器提交数据（如表单内容）。

PUT：向服务器上传资源。

DELETE：删除服务器上的资源。

HTTP Response Message

1xx：信息性响应

2xx：成功（如200 OK）

3xx：重定向（如301 Moved Permanently）

4xx：客户端错误（如404 Not Found）

5xx：服务器错误（如500 Internal Server Error）

HTTP Proxies & Caching

  • 代理服务器（Proxy Server）：
    充当客户端和服务器之间的中间层。
    • 用途：
      屏蔽访问限制（如防火墙）。
      提供内容过滤。
  • 缓存机制（Caching）：
    存储常访问的网页以减少延迟。
    • 优点：
      提升访问速度。
      减少重复流量。

HTTP Connections: Two Types

非持久HTTP（Non-persistent HTTP）：

  • 每个请求创建一个独立的TCP连接。
  • 传输完成后关闭连接。缺点：连接开销大，延迟较高

持久HTTP（Persistent HTTP）：

  • 在单个TCP连接上处理多个请求。
  • 提升了传输效率，减少了连接开销。
  • 默认方式为HTTP/1.1。

HTTPS (HTTP over SSL/TLS, RFC 2818)

HTTPS简介：

HTTPS 是 HTTP 和 SSL/TLS 的结合，用于加密通信。

使用443端口，而不是HTTP的80端口。

加密内容：

请求的URL、网页内容、浏览器内容、Cookies等。

优点：

提供数据加密、完整性验证、防止篡改。

HTTPS Connection Initiation

HTTPS连接建立过程：

客户端通过TLS协议与服务器建立安全会话。

包括握手、加密密钥协商等步骤。

三个层级的连接意识：

HTTP层：发送请求到TLS层。

TLS层：与服务器建立安全会话。

TCP层：传输加密数据。

HTTP/2

目标：

减少多对象HTTP请求的延迟。

HTTP/1.1问题：

使用FIFO（先进先出）模式，导致队头阻塞（HOL Blocking）。

多个请求按顺序处理，导致小对象传输被大对象阻塞。

HTTP/2解决方案：

数据被分为帧，每个帧独立传输。

帧传输交错进行，无需等待前一个完成。

多路复用（Multiplexing）和帧分片（Framing）。

特点：

在单一TCP连接中支持多流（Streams）。

二进制帧分片，代替HTTP/1.1的文本分片。

引入流量控制、优先级设置和头部压缩（HPACK）。

优点：

减少延迟，提高网络利用率。

HTTP/2 to HTTP/3

目标：

进一步减少HTTP请求的延迟。

使用QUIC协议解决HTTP/2的潜在问题。

QUIC特性：

可靠性：与TCP类似，支持丢包恢复、拥塞控制。

流并行：每个流独立，无队头阻塞。

安全性：集成TLS 1.3，通信更安全。

优化性能：减少了握手次数，通过一次握手完成连接建立

应用场景：

被Google、Facebook等广泛应用于提高HTTP性能

An Evolving HTTP View of TLS

HTTP/1.1：通过TCP层实现，TLS是独立层。

HTTP/2：通过TCP实现多路复用，并引入更优化的TLS整合。

HTTP/3：基于UDP的QUIC协议，进一步优化了安全性和性能。

QUIC: Connection Establishment

  • 连接建立过程：
    使用单次握手完成加密与可靠性协商。
    将TCP与TLS的功能合并，减少了延迟。
  • 特点：
    提供拥塞控制、流量控制等功能

Cookies使用的四个组成部分

  • Cookie Header：服务端通过HTTP响应头返回Cookie。
  • Cookie值：唯一标识符，用于区分不同用户。
  • 客户端存储：Cookie保存在浏览器中。
  • 服务端数据库：服务器通过Cookie与其数据库中的用户数据关联。

Cookies的用途：

授权：用户登录验证。

购物车：保存用户购物车商品信息。

推荐：基于用户历史记录推荐内容。

会话管理：维持用户会话状态。

优势与限制

优势：实现无状态协议上的状态管理。

限制：存储容量有限，隐私和安全问题需要额外关注。

Common Gateway Interface (CGI)

CGI技术：

用于创建动态网页，通过客户端和服务器间的双向通信实现功能（如电子商务网站、在线投票）。

工作原理：

HTML表单收集用户输入。

用户提交表单后，服务器调用CGI脚本来处理数据。

结果通过标准输出返回到客户端。

文件组成：

HTML表单文件。

CGI脚本：通常使用PHP、Perl等语言编写。

CGI Operations

工作流程：

客户端下载HTML表单并填写数据。

数据提交到服务器，服务器调用CGI脚本处理。

服务器返回生成的动态内容。

优势：

动态生成内容，提升用户体验。

可支持多种语言和技术，灵活性强。

局限性：

性能受限于每次请求启动新进程的开销。

Apache Web Server

Apache简介：

世界上最受欢迎的Web服务器。

开源，支持多个操作系统（如Linux和Solaris）。

特点：

稳定性高：一个子进程崩溃不会影响其他进程。

可扩展性强：支持同时处理多个客户端请求。

应用场景：

静态内容和动态内容的托管。

支持模块化扩展（如安全模块、性能优化模块）。

Content Delivery Network (CDN)

优势：

减轻主服务器负载：缓存内容分布到多个节点，减少主服务器直接处理的请求数量。

缩短延迟：CDN节点靠近用户，降低数据传输延迟。

分布式网络：CDN通过多个节点分发内容，提高可靠性和速度

工作原理：

用户请求会被路由到最近的CDN节点。

如果CDN节点已有缓存内容，则直接返回；否则从源服务器获取内容并缓存。

典型应用：

视频流媒体。

软件更新。

高流量的电商网站。

用户请求的路径：

客户端通过DNS解析请求域名。

DNS服务器返回最优CDN节点地址。

客户端向CDN节点发起内容请求。

示例过程：

用户访问NetCinema内容。

本地DNS解析并重定向到CDN节点。

CDN节点处理请求并返回内容。

优势：

动态负载均衡。

优化网络流量分布。

Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)

用于动态配置TCP/IP主机，自动分配IP地址、网关、DNS等参数。

使用UDP端口67（服务器）和68（客户端）进行通信。

DHCP的目的：

动态分配IP地址。

提供网络配置（如网关、DNS等）。

工作原理：

客户端向DHCP服务器发送请求。

DHCP服务器分配地址并返回配置。

特点：

减少网络管理员的配置工作。

自动化设备接入网络的流程。

DHCP Client-Server Scenario

DHCP客户端与服务器的交互：

客户端发送广播请求（DHCPDISCOVER）来查找可用的DHCP服务器。

服务器根据可用的IP地址池，提供地址并发送DHCP报文响应。

多客户端场景：

DHCP服务器通常在局域网内运行，动态为每个客户端分配唯一的IP地址。

实际应用：

企业网络使用DHCP服务器管理大规模设备的网络配置。

家庭路由器内置DHCP功能，为连接设备自动分配地址。

DHCP Network Parameters Assignment 网络参数分配

DHCP服务器存储每个客户端的网络配置参数。

客户端可以根据MAC地址或子网地址获得固定的参数。

动态分配：

DHCP服务器根据地址池中的可用IP动态分配给客户端。

地址租约：每次租约到期后，客户端需要续约或请求新地址。

DHCP优点：

动态分配减少IP冲突的风险。

支持跨子网的IP管理。

DHCP Operations

发现阶段（Discovery）：

客户端通过广播发送DHCPDISCOVER消息寻找DHCP服务器。

服务器收到请求后返回DHCPOFFER消息，提供一个可用IP地址。

服务器响应：

多个DHCP服务器可能响应请求，客户端选择合适的服务器。

消息类型：

DHCPDISCOVER：客户端广播寻找服务器。

DHCPOFFER：服务器提供IP地址及配置参数。

选择服务器：

如果客户端接收到多个DHCPOFFER消息，会根据配置选择一个服务器。

通过发送DHCPREQUEST消息向选定的服务器确认。

广播确认：

确认消息包含客户端选择的IP地址及相关配置。

其他未被选择的服务器释放分配的IP。

实际应用：

确保同一网络中，所有设备获得唯一IP地址。

地址确认（Acknowledgment）：

选定的DHCP服务器发送DHCPACK消息，包含最终确认的网络参数。

客户端配置网络后可正常使用分配的IP地址。

租约管理：

DHCPACK中包含租约期限，客户端在租约到期前需续约。

租约期满未续约时，IP地址将回收到地址池。

故障恢复：

若服务器无法提供配置，客户端将进入重试状态。

租约更新：

客户端在租约过半时开始发送DHCPREQUEST请求更新租约。

服务器通过DHCPACK消息延长租约期限。

租约到期：

如果未能成功更新租约，客户端将释放IP地址。

客户端重新发送DHCPDISCOVER消息，获取新IP。

租约管理的重要性：

确保地址池的有效利用。

动态适应网络拓扑的变化。

DHCP Message Format DHCP报文的结构：

报文包括多个字段，用于客户端和服务器之间的配置和通信。

关键字段：客户端和服务器的IP地址、租约时长、硬件地址、选项字段等。

字段描述：

Opcode：指定消息类型（1表示请求，2表示回复）。用于区分请求（1）和回复（2）。

Hardware Type：硬件地址的类型（1表示以太网MAC地址）。

Hardware Address Length：硬件地址的长度（通常是6字节的MAC地址）。

Hop Count：中继跳数，用于中继代理记录跳数。

Transaction ID：用于唯一标识客户端请求，与响应关联。

Number of Seconds：从客户端启动DHCP进程起的时间（秒）。

Flags：指示消息的类型，如广播标志位。

Client IP Address：客户端当前使用的IP地址（如在租约更新期间）。

Your IP Address：服务器为客户端分配的新IP地址。

Server IP Address：提供IP地址的DHCP服务器地址。

Relay Agent IP Address：中继代理的IP地址。

Client Hardware Address：客户端的物理地址（MAC地址）。

Server Hostname：DHCP服务器的主机名，用于标识。

Boot Filename：用于无盘工作站的启动文件名。

作用：

报文结构的标准化确保不同厂商的设备兼容。

Network Time Protocol (NTP)

NTP是一种应用层协议，使用UDP或TCP的端口123。

提供网络中的时间同步服务。

用途：

网络设计和管理：确保设备间时间一致性。

安全性：日志时间戳的准确性。

诊断：网络事件发生的精确时间。

实现目标：

时间同步精度通常在10毫秒以内。

时间分层结构：

通过分层（Stratum）级别，构建分布式时间同步网络。

分层结构：

Stratum 0：高精度时钟设备（如原子钟）。

Stratum 1：直接连接到Stratum 0的时间服务器。

Stratum 2及以下：通过层层同步传递时间。

全球部署：

超过300个Stratum 1服务器，至少15万个NTP节点运行于互联网中。

工作原理：

各服务器与高一层服务器同步，形成时间同步树。

运行模式：

多播模式：NTP服务器定期广播时间信息，供客户端同步。

客户端轮询模式：客户端主动发送请求获取时间。

同步方式：

通过ntpdate命令手动同步时间。

或通过ntpd守护进程持续自动同步。

使用场景：

广泛用于需要精确时间的系统，如金融系统或科研实验。

Network Address Translator (NAT)

网络地址转换器（NAT）用于将一组IP地址（通常是私有地址）映射到另一组IP地址（通常是公共地址）。

私有地址范围由IANA（互联网号码分配局）分配，推荐使用：

Class A: 10.0.0.0/8

Class B: 172.16.0.0/12

Class C: 192.168.0.0/16

NAT的用途：

重用IP地址：允许大量主机通过少量公共IP访问互联网。

提高安全性：内部网络对外部隐身。

私有IP地址特性：

无法在全球范围内路由。

需要与NAT结合使用，以连接到互联网

How NAT Works

网络类型：

全球网络（外部网络）：互联网。

私有网络（内部网络）：组织内部网络。

NAT的工作原理：

在内部与外部网络之间翻译地址。

翻译包括地址映射与端口映射。

两种地址分配方式：

静态分配：预定义映射。

动态分配：根据需求动态选择。

NAT的三步操作：

  • 绑定地址：将私有IP地址与外部地址绑定，并记录到NAT路由器表中。
  • 地址查找与转换：
    • 出站包：源地址转换为外部地址。
    • 入站包：目标地址转换为内部地址。
  • 解绑地址：会话结束后，释放绑定供其他连接使用。

Port Address Translation (PAT)

扩展了基本 NAT 的概念，将端口号和传输协议（如 TCP 和 UDP）映射到一个公共 IP 地址。

允许多个主机共享单个外部 IP 地址（常用于家庭或小型企业网络）。

PAT 的特点：

通过翻译源 IP 地址、源端口号以及传输层校验和，确保出站包唯一标识。

允许同时为多个会话分配不同的端口号，从而解决 IP 地址短缺问题。

工作流程：

  1. PAT 通过维护映射表记录每个内部私有 IP 地址与端口的对应关系。
  2. 出站包被转换为公共 IP 地址和动态分配的端口号。
  3. 入站包根据表中记录反向翻译到正确的内部地址和端口号。

优势：

支持高效地址使用。

增强内部网络的安全性（外部无法直接访问私有地址）。

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