一文带你入门网络协议

众所周知，网络是一台台的计算机构成的一张“大网”，彼此通讯，交互数据。我们也都知道不同的计算机厂家生产的计算机肯定是存在差异的，那么它们是如何克服这些差异进行通信呢？

1.目录

• 网络协议

• HTTP

• HTTPS

希望通过这篇文章能让读者了解什么是网络协议，以及目前我们最常接触的 http 和 https。

2.网络协议

网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定。

众所周知，网络是一台台的计算机构成的一张“大网”，彼此通讯，交互数据。我们也都知道不同的计算机厂家生产的计算机肯定是存在差异的，那么它们是如何克服这些差异进行通信呢?显然就是“语言”，我们的语言能彼此交流是因为我们对这些定义产生了共识，比如苹果指代的就是具体的一种水果等等。而计算机也是通过建立这种约定来完成通信的。

不过要注意!这网络协议不仅仅是给计算机互相间使用的，而是给网络上所有设备(服务器、个人 PC、交换机、路由器、防火墙等)使用的。大多数网络都采用分层的体系结构，每一层都建立在它的下层之上，向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽(这就类似我们代码中的接口)。一台设备上的第 n 层与另一台设备上的第 n 层进行通信的规则就是第 n 层协议。在网络的各层中存在着许多协议，接收方和发送方同层的协议必须一致，否则一方将无法识别另一方发出的信息。网络协议使网络上各种设备能够相互交换信息。上面提到了大多数网络都采用分层，这里说下分层模型：

• OSI 模型(Open System Interconnection Reference Model)，一种概念模型，由国际标准化组织提出，是一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。它具体分为七层：

• 应用层(第七层)

• 为应用软件而设的接口，用于应用间的通信

• 表示层(第六层)

• 将数据转为接收系统可以使用的格式

• 会话层(第五层)

• 会话层是建立在传输层之上，利用传输层提供的接口，使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步(简单理解成数据传输的一个通道)

• 传输层(第四层)

• 将传输表头(TH，传输表头包含了所使用的协议等信息)加至数据(我们要传输的数据)形成数据包

• 网络层(第三层)

• 网络层决定了数据的传输路径和转寄，它会将网络表头(NH，包含了网络数据：IP 等)加入数据包中

• 数据链路层(第二层)

• 数据链路层(Data Link Layer)负责网络寻址、错误侦测和改错物理层(第一层)

• 物理层确保原始数据可以在各种物理媒体上传输

TCP/IP 协议族分层方式与 OSI 分层的同异，如下图：

下面会对一个简单的场景进行网络请求画图。

场景：我给公司写了一个 hello world 的简单的静态页面部署在公司的服务器上，我用自己的电脑在家里通过公网访问这个静态页面，比如网址是“http://www.xxx.com”。

当我访问这个网址时，浏览器都做了些什么呢?我们看下图：

TCP

TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的，双向传输的传输层通信协议。它在建立连接时会经过三次握手，三次握手完成后才会开始传输数据;在终止连接时，它需要四次挥手。具体如下：

(1)建立连接

三次握手：

• 客户端发送 SYN 报文给服务端，进入 SYN_SEND 状态

• 服务器回复 SYN，进入 SYN_RECV 状态

• 客户端收到来自服务端的 SYN 报文后，回复 ACK

客户端和服务端进入 Established 状态，可以开始收发数据了。

(2)终止连接

• 四次挥手(注意：close 动作可以由任意一端先发起，这里以 client 发起为例)：

• 客户端先调用 close，执行 active close，并发送 FIN 表示数据发送完毕，进入 FIN_WAIT_1 状态

• 服务端接收到 FIN 后，执行 passive close，并给客户端发送 ACK，进入 CLOSE_WAIT 状态

• 服务端给客户端发送一个 FIN，进入 LAST_ACK 状态

主动发起 close 的一方负责最终确认 FIN，这个例子就是客户端需要接收 FIN 并回复 ACK 给服务端，进入 TIME_WAIT 状态，服务端收到 ACK 后进入 CLOSED 状态

为什么终止的时候是四次挥手呢?

因为一方主动发起 close 并发送 FIN 仅仅代表它不再发送数据，可是还能接收数据，所以需要另一方也进行 close 并发送 FIN 通知对方。至于为什么要将 ACK 和 FIN 分开呢?是因为 ACK 是告诉对方“我知道了”，而 FIN 是告诉对方“我也没有数据给你了”。而实际情况不一定是我收到 FIN 就刚好也把数据都给完对方了，所以是需要分开的。

HTTP

HTTP(HyperText Transfer Protocol)，超文本传输协议，它是基于 TCP 协议实现的。

HTTP 是一种无状态协议，像我们作为游客访问一个页面时，无状态协议是简单且高效的。不过像电商场景是需要记录用户登录状态或记录购物车商品信息的(除了电商像一些中台系统也是需要记录用户状态的，这里仅是举例)，这时就需要一些额外的技术协助了，如：Cookie。

HTTP 报文格式

HTTP 协议的请求报文和响应报文的结构基本相同。

报文由三大部分组成：

• 起始行

• 描述请求或响应的基本信息，如：GET /** HTTP/1.1、HTTP/1.1 200 OK 等

• 头部字段集合

• 使用 key-value 说明报文(想想请求头和响应头)

• 消息正文

HTTPS

HTTP 是基于 TCP 实现的，它的报文是明文，整个传输过程完全是透明的，任何环节都可以轻松获截、修改，这是很不安全的。因此，安全的 HTTP 协议应运而生—— HTTPS。HTTPS 其实就是在 HTTP 之上增加了 SSL。

(1) SSL/TLS

SSL 即安全套接层(Secure Sockets Layer)，1999 年改名为 TLS(传输层安全， Transport Layer Security)

有几个概念要先说清楚：

• 对称加密

• 通过同一把“钥匙”进行加密和解密

• 非对称加密

• 有两把“钥匙”——公钥，私钥，使用公钥加密的，需要使用私钥解密;使用私钥加密的，需要公钥解密

• 摘要算法

• 将一个随机长度的内容生成一个定长的内容，常见算法有：MD5、sha1、sha2 等等

• 安全性

• 没有绝对的安全，我们所说的数据安全都是基于一个信任点，认为它是安全的，我们所说的安全才能成立，否则不存在安全一说。如：非对称加密和对称加密，我们相信这些算法的安全性，因此认为只要密钥不泄露，那么就是安全的

(2)HTTPS 工作流程大致如下：

先完成三次握手，这里和 HTTP 是一致的

• 浏览器给服务器发送加密套件列表(就是告诉服务器自己支持的加密算法)

• 服务器根据加密套件列表挑选加密算法，并给浏览器发送公钥

• 浏览器获取公钥后，随机生成对称加密算法使用的密钥，通过公钥加密该密钥，然后发送密文给服务器

• 服务器使用私钥解密，对于该会话的内容信息都使用该密钥加密传输给浏览器

(3)优点

• 通过非对称加密保证浏览器传输的密钥不会被破解(因为私钥在自己手上，没有经历过网络传输)

• 使用对称加密算法加解密内容效率高

(4)缺点

• 服务器给浏览器传输公钥时没法保证该浏览器不会泄露公钥

基于这个缺点，我们需要依赖第三方机构协助，让我们的 HTTPS 更安全可靠。

具体如下：

• 对于第三步的传输公钥改成传输公钥数字证书

• 数字证书组成：

公钥用户信息

公钥

签名

通过 hash(公钥，公司信息，域名等申请信息) 获取数据摘要;CA 再对摘要信息进行加密，这个密文就是签名

CA 信息

有效期

证书序列号

• 数字证书由第三方机构(CA 机构)颁发

• 公司信息、系统的域名和公钥需要到 CA 机构进行认证，认证通过后 CA 再给我们颁发证书，证书内容如上不累述。因为这证书有签名，所以证书内容不可被篡改，从而证书里面的公钥用户信息和公钥的安全性就得到了保证。

• CA 机构颁发的证书的可靠性依赖于根证书，而根证书是操作系统或浏览器内置的(换句话说，我们就是要相信操作系统或者浏览器的安全性)

综上所述，我们 HTTPS 的安全性是基于对根证书的信任和加密算法的信任，从而认为自己是安全的。

上面也提到了，基于某个信任点，我们的安全才能聊下去，所以是没有绝对的安全的。如果黑客劫持了浏览器，让你所有请求先到他，他再到服务器，那么你请求的所有数据都会先到黑客手上，那么就不安全了。举例：我们的梯子很多就是代理，浏览器发出的请求被它代理，然后走到可以翻墙的服务器上再去请求资源，得到的数据自然也是原路返还，那么这个中转服务器就可以做很多操作了。

相信到这里，大家已经知道我们常说的网络分层架构一般是定义成 5 层或者 7 层，而我们所说的网络协议是针对里面某一层的通信协议。这里以我们最常接触的 http 和 https 为例做了说明，并且讲了它们的区别，还延申了下网络安全方面的内容。