计算机网络笔记整理

引言

计算机网络是计算机科学与技术领域的基石，也是技术面试中的必考内容。无论你是准备面试，还是想夯实基础，理解网络协议的核心概念都至关重要。本文基于常见的面试考点，系统梳理了OSI七层模型、TCP/IP协议族、TCP与UDP的区别、HTTP协议演变、HTTPS加密原理、DNS解析过程、WebSocket与Socket的关系，以及TCP的可靠传输机制（三次握手、四次挥手、流量控制、拥塞控制）。希望这份笔记能帮助你构建清晰的知识体系，轻松应对各种网络问题。

一、OSI七层模型与TCP/IP模型

1. OSI七层模型（理论标准）

OSI（Open System Interconnection）模型将网络通信划分为七个层次，自下而上分别为：

层次	功能描述	常见协议/设备
物理层	建立、维护、断开物理连接，传输比特流	网线、集线器、中继器
数据链路层	提供相邻节点间的可靠数据传输，进行差错控制（FCS校验）	Ethernet、PPP、交换机
网络层	逻辑地址寻址（IP），路由选择	IP、ICMP、IGMP、路由器
传输层	端到端通信，提供可靠或不可靠传输，端口号标识应用	TCP、UDP
会话层	建立、管理、终止会话（主机间对话）	NetBIOS、RPC
表示层	数据格式转换、加密、压缩，确保应用层信息可读	SSL/TLS、JPEG、ASCII
应用层	为用户提供网络服务接口	HTTP、FTP、SMTP、DNS

补充：实际网络通信中，数据经过每一层时会被添加对应的头部（封装），接收端逐层解析（解封装）。

2. TCP/IP模型（事实标准）

TCP/IP模型是实际使用的协议栈，通常分为四层（或五层）：

应用层：对应OSI的应用层、表示层、会话层。协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS、WebSocket等。
传输层：对应OSI的传输层。协议：TCP、UDP。
网络层：对应OSI的网络层。协议：IP、ICMP、IGMP。
网络接口层：对应OSI的数据链路层和物理层。协议：Ethernet、ARP等。

二、TCP与UDP的对比

特性	TCP（传输控制协议）	UDP（用户数据报协议）
连接性	面向连接，需三次握手建立连接	无连接，直接发送数据
可靠性	可靠传输：序列号、确认应答、重传、校验和、去重、排序	不可靠传输：尽最大努力，可能丢包、乱序、重复
流量控制	支持滑动窗口，避免接收方过载	无
拥塞控制	支持慢启动、拥塞避免等	无
数据传输方式	面向字节流，无边界	面向报文，保留报文边界
首部开销	最小20字节，最大60字节	固定8字节
通信方式	点对点（一对一）	一对一、一对多、多对一、多对多（广播、多播）
典型应用	HTTP/HTTPS、FTP、SMTP、SSH	DNS、DHCP、视频直播、VoIP、在线游戏

选择依据：需要可靠性、顺序性选TCP；实时性要求高、可容忍少量丢包选UDP，应用层自行处理可靠性（如QUIC协议基于UDP实现）。

三、HTTP协议详解

1. HTTP的无状态性

HTTP协议是无状态的，即服务器不会记住客户端的两次请求之间的关系。每次请求都是独立的，服务器仅基于当前请求返回响应，不保存客户端状态。这种设计简化了服务器实现，但也带来了身份识别的挑战，因此引入了Cookie、Session、Token等机制。

2. 浏览器输入URL到页面显示的过程

DNS解析：查找域名对应的IP地址（浏览器缓存 → 本地DNS → 根DNS → 顶级DNS → 权威DNS）。
TCP连接：通过三次握手建立TCP连接（默认端口80）。
发送HTTP请求：浏览器构造HTTP请求报文（包含Cookie等信息）发送给服务器。
服务器处理请求：返回HTTP响应（通常包含HTML页面）。
浏览器渲染：解析HTML，加载CSS、JS、图片等资源（可能发起更多HTTP请求）。
关闭连接：TCP四次挥手释放连接（HTTP/1.1默认持久连接，可复用）。

3. HTTP版本演进

版本	特点
HTTP/1.0	短连接，每次请求需新建TCP；可设置`Connection: keep-alive`启用长连接。
HTTP/1.1	默认长连接（持久连接），支持管道化（同一连接发送多个请求），但队头阻塞问题依然存在。
HTTP/2.0	二进制分帧（头信息和数据体均为二进制），多路复用（一个连接并发处理多个请求），头部压缩（HPACK），服务器推送。

4. POST与GET的区别

特性	GET	POST
可见性	参数在URL中可见，可被书签收藏	参数在请求体中，不可见
安全性	参数暴露，不安全（密码等不应用GET）	相对安全，但仍需加密（HTTPS）
数据长度	受URL长度限制（浏览器/服务器限制）	理论上无限制，受服务器配置限制
用途	获取资源，幂等（多次请求相同结果）	提交数据，可能改变服务器状态，非幂等
缓存	可被缓存	一般不缓存

5. HTTP长连接

HTTP长连接本质上是指TCP长连接，通过Connection: keep-alive头部实现（HTTP/1.1默认开启）。长连接允许复用同一个TCP连接传输多个HTTP请求，减少握手开销。超时时间由服务器keep-alive timeout和TCP内核参数共同决定（如tcp_keepalive_time）。

四、HTTPS与加密通信

1. HTTP存在的问题

明文传输，易被窃听。
未验证通信双方身份，易被冒充。
无数据完整性校验，易被篡改。

2. HTTPS = HTTP + SSL/TLS

HTTPS在HTTP和TCP之间加入SSL/TLS层，提供加密、认证和完整性保护。

3. HTTPS工作流程（基于RSA握手）

客户端发起HTTPS请求，连接服务器443端口。
服务器返回数字证书（包含公钥、颁发机构、有效期等）。
客户端验证证书合法性，通过后生成随机对称密钥，用证书公钥加密发送给服务器。
服务器用私钥解密，得到对称密钥。
后续通信使用该对称密钥进行加密传输。

4. 公钥、私钥、数字签名、数字证书

对称加密：加密和解密使用同一密钥，速度快，但密钥分发困难。
非对称加密：公钥加密，私钥解密；私钥签名，公钥验签。解决了密钥分发问题，但速度慢。
数字签名：对消息的哈希值用私钥加密，接收方用公钥解密并比对哈希值，确保消息完整性和来源可信。
数字证书：由CA（证书颁发机构）签发，包含公钥、持有者信息、CA的数字签名等，用于绑定身份与公钥。

五、DNS解析过程

DNS（域名系统）将域名转换为IP地址，解析流程如下：

浏览器缓存 → 操作系统缓存 → 本地hosts文件 → 本地DNS服务器（如ISP提供的DNS）。
本地DNS服务器向根域名服务器查询，根服务器返回顶级域名服务器（如.com）地址。
本地DNS向顶级域名服务器查询，返回权威域名服务器（如baidu.com）地址。
本地DNS向权威域名服务器查询，得到最终IP地址，返回给客户端并缓存。

六、WebSocket与Socket

1. WebSocket vs HTTP

通信模式：HTTP单向请求-响应；WebSocket双向全双工，连接建立后可主动推送。
连接状态：HTTP无状态，WebSocket有状态（长连接）。
握手方式：WebSocket基于HTTP握手（Upgrade头部升级协议）。
头部开销：HTTP每次请求携带大量头部；WebSocket握手后头部极小。

2. WebSocket vs Socket

Socket：网络编程接口（API），封装TCP/UDP，用于进程间通信。
WebSocket：应用层协议，基于TCP，用于浏览器与服务器全双工通信。

联系：WebSocket底层使用Socket编程实现。

七、TCP核心机制

1. 三次握手（建立连接）

过程：

客户端发送SYN=1，seq=x → SYN-SENT状态。
服务器回复SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1 → SYN-RCVD状态。
客户端发送ACK=1，seq=x+1，ack=y+1 → ESTABLISHED状态，服务器收到后也进入ESTABLISHED。

为什么是三次？

防止已失效的连接请求报文突然传到服务器，造成错误（两次握手会导致服务器误建立连接）。
三次握手可确保双方收发能力正常，同步初始序列号。

为什么不是两次？ 如果只有两次，服务器发送确认后即认为连接建立，但客户端可能未收到确认或请求已失效，浪费资源。

为什么不是四次？ 三次已足够，四次浪费。

2. 四次挥手（释放连接）

过程（假设客户端主动关闭）：

客户端发送FIN=1，seq=u → FIN-WAIT-1。
服务器回复ACK=1，seq=v，ack=u+1 → CLOSE-WAIT，客户端进入FIN-WAIT-2。
服务器数据发送完毕，发送FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1 → LAST-ACK。
客户端回复ACK=1，seq=u+1，ack=w+1 → TIME-WAIT，等待2MSL后关闭；服务器收到ACK后立即关闭。

为什么需要四次？ 因为TCP全双工，每个方向需单独关闭。服务器收到FIN后可能还有数据要发送，不能立即发FIN，因此ACK和FIN分开发送。

为什么TIME-WAIT等待2MSL？

确保最后一个ACK能被服务器收到（若丢失，服务器重传FIN，客户端可重发ACK）。
保证本次连接的所有报文在网络中消失，避免影响新连接。

3. TCP如何保证可靠传输？

序列号与确认应答：每个字节编号，接收方返回ACK。
超时重传：发送方启动定时器，超时未收到ACK则重传。
校验和：检测数据是否损坏。
流量控制：滑动窗口，避免接收方缓冲区溢出。
拥塞控制：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复，适应网络负载。
连接管理：三次握手、四次挥手。
数据排序：接收方根据序列号重组数据。
重复丢弃：丢弃重复报文。

4. 流量控制（滑动窗口示例）

发送方根据接收方通告的窗口大小调整发送速率。例如：

初始窗口均为400字节。
发送200字节后，窗口减小；接收方处理能力下降，窗口缩至0，发送方停止发送并定时探测。
当接收方处理完毕，窗口扩大，发送方继续发送。

5. 拥塞控制

慢启动：初始拥塞窗口较小，指数增长至慢启动阈值。
拥塞避免：超过阈值后线性增长，遇到丢包（超时或重复ACK）时减窗。
快速重传：收到3个重复ACK立即重传，不必等待超时。
快速恢复：配合快速重传，将拥塞窗口减半而非降至1。

八、常见面试题补充

1. forward和redirect的区别（Servlet）

特性	forward（转发）	redirect（重定向）
地址栏	不变	变为新URL
请求次数	1次	2次
数据共享	可以共享request	不能共享request
行为	服务器内部跳转	客户端重新发起请求
效率	高	低

Cookie：客户端保存的小文本，用于携带状态信息（如Session ID）。
Session：服务器端保存的用户状态数据，通过Session ID关联（通常存于Cookie）。
Token：无状态认证机制，服务器不保存，客户端携带加密令牌，常用于分布式系统。

分布式Session解决方案：使用Redis集中存储Session，或采用JWT等Token方案。

客户端禁用Cookie怎么办？ Session ID可放在URL参数或请求头（如Authorization）中传输。

九、总结

计算机网络知识点繁多，但核心脉络清晰。掌握OSI与TCP/IP模型、TCP/UDP区别、HTTP/HTTPS原理、三次握手与四次挥手等基础，是深入理解网络通信的关键。希望本文的梳理能帮助读者构建知识体系，在面试或实际开发中游刃有余。