计算机网络核心知识点详解

前言

计算机网络是现代软件系统的基石，理解网络协议和优化技术对于开发高性能、高可用的应用系统至关重要。本文将系统梳理HTTP/HTTPS、TCP/IP、DNS、负载均衡、网络优化等核心知识点，结合典型面试题型进行深入解析。

第一章：HTTP/HTTPS协议详解

1.1 HTTP协议基础

1.1.1 HTTP协议概述

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是一种应用层协议，基于TCP/IP协议栈，用于在Web浏览器和服务器之间传输超文本。

HTTP协议特点：

  • 无连接：每次请求都需要建立新的连接（HTTP/1.1之前）
  • 无状态：协议对事务处理没有记忆能力
  • 灵活：可以传输任意类型的数据
  • 简单快速：客户端向服务器请求服务时，只需传送请求方法和路径

1.1.2 HTTP请求报文结构

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GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com
User-Agent: Mozilla/5.0
Accept: text/html,application/xhtml+xml
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Accept-Encoding: gzip, deflate
Connection: keep-alive

请求体（可选）

请求报文组成：

  1. 请求行（Request Line）：方法 + URL + 协议版本
  2. 请求头（Headers）：键值对形式
  3. 空行：分隔请求头和请求体
  4. 请求体（可选）：POST请求的数据

1.1.3 HTTP响应报文结构

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HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 19 Dec 2024 10:00:00 GMT
Content-Type: text/html; charset=UTF-8
Content-Length: 1234
Server: Apache/2.4.41
Cache-Control: max-age=3600

<html>
  <body>Hello World</body>
</html>

响应报文组成：

  1. 状态行：协议版本 + 状态码 + 状态描述
  2. 响应头：服务器信息、内容类型等
  3. 空行：分隔响应头和响应体
  4. 响应体：实际返回的数据

1.2 HTTP状态码详解

1.2.1 状态码分类

分类 范围 描述
1xx 100-199 信息性状态码
2xx 200-299 成功状态码
3xx 300-399 重定向状态码
4xx 400-499 客户端错误状态码
5xx 500-599 服务器错误状态码

1.2.2 常见状态码

2xx 成功

  • 200 OK：请求成功
  • 201 Created：资源创建成功
  • 204 No Content：请求成功但无返回内容

3xx 重定向

  • 301 Moved Permanently：永久重定向
  • 302 Found：临时重定向
  • 304 Not Modified：资源未修改，使用缓存

4xx 客户端错误

  • 400 Bad Request：请求语法错误
  • 401 Unauthorized：未授权
  • 403 Forbidden：服务器拒绝请求
  • 404 Not Found：资源不存在

5xx 服务器错误

  • 500 Internal Server Error：服务器内部错误
  • 502 Bad Gateway：网关错误
  • 503 Service Unavailable：服务不可用

1.3 HTTP方法详解

1.3.1 常用HTTP方法

方法 描述 幂等性 安全性
GET 获取资源 是 是
POST 创建资源 否 否
PUT 更新资源 是 否
DELETE 删除资源 是 否
HEAD 获取响应头 是 是
OPTIONS 获取支持的方法 是 是
PATCH 部分更新资源 否 否

1.3.2 GET vs POST区别

特性 GET POST
参数位置 URL中 请求体中
数据长度 受URL长度限制 无限制
安全性 参数可见 参数不可见
幂等性 是 否
缓存 可被缓存 不可缓存
历史记录 保留在浏览器历史 不保留

1.4 HTTP版本演进

1.4.1 HTTP/1.0 vs HTTP/1.1

HTTP/1.0特点：

  • 每次请求都需要建立新的TCP连接
  • 不支持持久连接
  • 不支持管道化

HTTP/1.1改进：

  • 默认支持持久连接（Connection: keep-alive）
  • 支持管道化（Pipelining）
  • 支持分块传输编码
  • 支持虚拟主机
  • 增加了缓存控制机制

1.4.2 HTTP/2特性

HTTP/2核心特性：

  • 二进制分帧：将数据分割为更小的帧进行传输
  • 多路复用：在一个连接上并发多个请求
  • 头部压缩：使用HPACK算法压缩头部
  • 服务器推送：服务器可以主动向客户端推送资源
  • 优先级和依赖：可以为请求设置优先级

1.4.3 HTTP/3特性

HTTP/3核心特性：

  • 基于QUIC协议（基于UDP）
  • 内置加密（TLS 1.3）
  • 连接迁移：网络切换时连接不中断
  • 0-RTT恢复：更快的连接建立
  • 无队头阻塞：解决HTTP/2的队头阻塞问题

1.5 HTTPS协议详解

1.5.1 HTTPS工作原理

HTTPS（HTTP Secure）是HTTP的安全版本，在HTTP和TCP之间加入了SSL/TLS协议层，提供加密、身份认证和数据完整性保护。

HTTPS通信过程：

  1. TCP三次握手：建立TCP连接
  2. SSL/TLS握手：协商加密参数
  3. 证书验证：验证服务器身份
  4. 密钥交换：生成会话密钥
  5. 加密通信：使用对称加密传输数据

1.5.2 SSL/TLS握手过程

TLS 1.2握手过程：

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Client                                               Server
------                                               ------
1. Client Hello      ---------------------------->
                      (支持的TLS版本、随机数、加密套件)

2.                   <----------------------------  Server Hello
                      (选择的TLS版本、随机数、加密套件)

3.                   <----------------------------  Certificate
                      (服务器证书链)

4.                   <----------------------------  Server Key Exchange
                      (可选，用于ECDHE等密钥交换)

5.                   <----------------------------  Server Hello Done

6. Client Key Exchange ---------------------------->
                      (预主密钥，用服务器公钥加密)

7. Change Cipher Spec ---------------------------->
                      (通知启用加密)

8. Finished          ---------------------------->
                      (握手消息完整性校验)

9.                   <----------------------------  Change Cipher Spec

10.                  <----------------------------  Finished
                      (握手消息完整性校验)

TLS 1.3改进：

  • 减少握手次数（从2-RTT到1-RTT）
  • 更强的加密算法
  • 前向保密性增强
  • 移除不安全的算法

1.5.3 证书体系

证书类型：

  • DV证书：域名验证，验证域名所有权
  • OV证书：组织验证，验证组织身份
  • EV证书：扩展验证，最严格的验证

证书链验证：

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根证书CA
    ↓
中间证书CA
    ↓
服务器证书

1.5.4 HTTPS性能优化

连接优化：

  • 会话复用：复用之前的TLS会话
  • OCSP Stapling：服务器预先获取证书状态
  • HSTS：强制使用HTTPS

证书优化：

  • 证书压缩：减少证书传输大小
  • 证书选择：选择合适的证书类型
  • CDN证书：使用CDN提供的证书

第二章：TCP/IP协议详解

2.1 TCP/IP协议栈

2.1.1 协议栈分层

层级 协议 数据单元 功能
应用层 HTTP, FTP, SMTP 报文 应用程序间通信
传输层 TCP, UDP 段/数据报 端到端通信
网络层 IP, ICMP, ARP 数据包 路由和寻址
数据链路层 Ethernet, Wi-Fi 帧 物理网络传输
物理层 电缆, 光纤 比特 原始比特流传输

2.1.2 数据封装过程

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应用层数据
    ↓
传输层首部 + 应用层数据 = TCP段
    ↓
网络层首部 + TCP段 = IP数据包
    ↓
数据链路层首部 + IP数据包 + 数据链路层尾部 = 帧
    ↓
物理层比特流

2.2 TCP协议详解

2.2.1 TCP首部结构

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 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options                    |    Padding    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             data                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.2.2 TCP三次握手

三次握手过程：

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Client                              Server
------                              ------
1. SYN=1, seq=x    ---------------->
                   (同步序列号)

2.                 <----------------  SYN=1, ACK=1, seq=y, ack=x+1
                   (同步序列号，确认客户端序列号)

3. ACK=1, seq=x+1, ack=y+1 ---------------->
                   (确认服务器序列号)

为什么是三次握手？

  • 防止已失效的连接请求报文突然传送到服务器
  • 确保双方收发能力正常
  • 同步初始序列号

TCP连接状态：

  • CLOSED：初始状态
  • LISTEN：服务器等待连接
  • SYN-SENT：客户端发送SYN后
  • SYN-RECEIVED：服务器收到SYN并发送SYN+ACK
  • ESTABLISHED：连接建立成功

2.2.3 TCP四次挥手

四次挥手过程：

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Client                              Server
------                              ------
1. FIN=1, seq=u    ---------------->
                   (客户端请求释放连接)

2.                 <----------------  ACK=1, ack=u+1
                   (服务器确认收到释放请求)

3.                 <----------------  FIN=1, seq=v
                   (服务器请求释放连接)

4. ACK=1, ack=v+1 ---------------->
                   (客户端确认收到释放请求)

为什么是四次挥手？

  • TCP是全双工通信，需要分别关闭两个方向的连接
  • 服务器可能还有数据需要发送
  • 确保数据完整传输

TCP连接状态：

  • FIN-WAIT-1：客户端发送FIN后
  • FIN-WAIT-2：客户端收到ACK后
  • CLOSE-WAIT：服务器收到FIN后
  • LAST-ACK：服务器发送FIN后
  • TIME-WAIT：客户端收到FIN后等待2MSL
  • CLOSED：连接完全关闭

2.2.4 TCP可靠传输机制

1. 序列号和确认应答机制

1
2
发送方：为每个字节数据编号
接收方：发送确认号表示期望收到的下一个字节序号

2. 超时重传机制

  • 设置超时时间RTO（Retransmission Timeout）
  • 自适应重传：根据网络状况动态调整RTO
  • 快速重传：收到3个重复ACK立即重传

3. 流量控制机制

  • 滑动窗口机制：接收方通过窗口大小告知发送方可接收的数据量
  • 窗口探测：当接收方窗口为0时，发送方定期探测窗口大小

4. 拥塞控制机制

  • 慢开始：指数增长拥塞窗口
  • 拥塞避免：线性增长拥塞窗口
  • 快重传：收到3个重复ACK时重传
  • 快恢复：重传后进入快恢复阶段

2.2.5 TCP滑动窗口机制

发送窗口：

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2
3
已发送并确认 | 已发送未确认 | 允许发送 | 不允许发送
     ↑            ↑           ↑         ↑
   SND.UNA    SND.NXT     SND.UNA+SND.WND

接收窗口：

1
2
3
已接收并确认 | 允许接收 | 不允许接收
     ↑         ↑         ↑
   RCV.NXT  RCV.NXT+RCV.WND

2.3 TCP拥塞控制算法

2.3.1 传统拥塞控制算法

1. 慢开始（Slow Start）

  • 初始拥塞窗口cwnd = 1 MSS
  • 每收到一个ACK，cwnd增加1 MSS
  • 当cwnd ≥ ssthresh时，进入拥塞避免

2. 拥塞避免（Congestion Avoidance）

  • 每经过一个RTT，cwnd增加1 MSS
  • 线性增长，避免拥塞

3. 快重传（Fast Retransmit）

  • 收到3个重复ACK立即重传
  • 不等待超时

4. 快恢复（Fast Recovery）

  • ssthresh = cwnd/2
  • cwnd = ssthresh + 3 MSS
  • 收到新ACK时，cwnd = ssthresh

2.3.2 现代拥塞控制算法

1. BBR（Bottleneck Bandwidth and RTT）

  • Google开发的拥塞控制算法
  • 基于带宽和RTT测量
  • 更高的吞吐量和更低的延迟

2. Cubic

  • Linux默认拥塞控制算法
  • 基于时间的窗口增长
  • 适合高带宽延迟积网络

2.4 UDP协议详解

2.4.1 UDP特点

  • 无连接：不需要建立连接
  • 不可靠：不保证数据到达
  • 面向报文：保留应用层报文边界
  • 无拥塞控制：发送速率恒定
  • 首部开销小：仅8字节

2.4.2 UDP首部结构

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 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|     Source      |   Destination   |
|      Port       |      Port       |
+--------+--------+--------+--------+
|                 |                 |
|     Length      |    Checksum     |
+--------+--------+--------+--------+
|                                   |
|          Data Octets ...          |
+-----------------------------------+

2.4.3 UDP vs TCP对比

特性 TCP UDP
连接性 面向连接 无连接
可靠性 可靠传输 不可靠传输
流量控制 有 无
拥塞控制 有 无
传输效率 较低 较高
首部开销 20-60字节 8字节
适用场景 文件传输、网页浏览 视频流、DNS查询

第三章：DNS系统详解

3.1 DNS基础概念

3.1.1 DNS系统架构

DNS层级结构：

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根域名服务器
    ↓
顶级域名服务器（.com, .org, .net等）
    ↓
权威域名服务器（example.com）
    ↓
本地DNS服务器（ISP提供）

3.1.2 DNS记录类型

记录类型 描述 示例
A IPv4地址记录 example.com → 93.184.216.34
AAAA IPv6地址记录 example.com → 2606:2800:220:1:248:1893:25c8:1946
CNAME 别名记录 www.example.com → example.com
MX 邮件交换记录 example.com → mail.example.com
TXT 文本记录 SPF、DKIM验证
NS 域名服务器记录 example.com → ns1.example.com
PTR 反向解析记录 34.216.184.93.in-addr.arpa → example.com

3.2 DNS解析过程

3.2.1 完整解析流程

递归查询过程：

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1. 浏览器检查本地缓存
2. 操作系统检查hosts文件
3. 本地DNS服务器检查缓存
4. 本地DNS服务器向根服务器查询
5. 根服务器返回顶级域名服务器地址
6. 本地DNS服务器向顶级域名服务器查询
7. 顶级域名服务器返回权威域名服务器地址
8. 本地DNS服务器向权威域名服务器查询
9. 权威域名服务器返回IP地址
10. 本地DNS服务器缓存结果并返回

3.2.2 DNS缓存机制

缓存层级：

  • 浏览器缓存：Chrome默认缓存1分钟
  • 操作系统缓存：Windows缓存15分钟
  • 本地DNS服务器缓存：TTL决定缓存时间
  • 递归DNS服务器缓存：ISP提供的缓存

TTL（Time To Live）：

  • 指定DNS记录在缓存中的存活时间
  • 平衡性能和一致性
  • 短TTL：快速故障转移
  • 长TTL：减少DNS查询开销

3.3 DNS安全机制

3.3.1 DNS劫持攻击

常见攻击类型：

  • DNS缓存投毒：向DNS缓存注入伪造记录
  • DNS劫持：重定向DNS查询到恶意服务器
  • 中间人攻击：拦截和修改DNS响应

3.3.2 DNSSEC安全扩展

DNSSEC功能：

  • 数字签名：验证DNS响应的真实性
  • 链式验证：从根到子域名的完整验证
  • 防止缓存投毒：确保DNS记录未被篡改

DNSSEC记录类型：

  • DNSKEY：存储公钥
  • RRSIG：资源记录签名
  • DS：父域对子域的信任锚点
  • NSEC/NSEC3：证明记录不存在

3.3.3 DoH和DoT

DoH（DNS over HTTPS）：

  • 通过HTTPS协议传输DNS查询
  • 加密DNS流量，防止窃听和篡改
  • 端口：443

DoT（DNS over TLS）：

  • 通过TLS协议传输DNS查询
  • 专用端口853
  • 更好的性能优化

3.4 DNS负载均衡

3.4.1 基于DNS的负载均衡

轮询DNS：

1
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3
example.com → 192.168.1.1
example.com → 192.168.1.2
example.com → 192.168.1.3

地理位置负载均衡：

  • 根据用户地理位置返回最近的服务器IP
  • 使用EDNS0扩展获取客户端子网信息
  • CDN常用的负载均衡策略

3.4.2 健康检查机制

DNS健康检查：

  • 定期检测服务器可用性
  • 自动从DNS响应中移除故障服务器
  • 支持多种检查方式：HTTP、TCP、ICMP

第四章：负载均衡详解

4.1 负载均衡基础概念

4.1.1 负载均衡类型

按OSI分层：

  • L2负载均衡：基于MAC地址
  • L3负载均衡：基于IP地址
  • L4负载均衡：基于TCP/UDP端口
  • L7负载均衡：基于应用层内容

按实现方式：

  • 硬件负载均衡：F5、A10等专业设备
  • 软件负载均衡：Nginx、HAProxy、LVS
  • 云负载均衡：AWS ELB、阿里云SLB

4.2 负载均衡算法

4.2.1 静态负载均衡算法

1. 轮询（Round Robin）

1
2
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4
5
upstream backend {
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
    server 192.168.1.103:8080;
}

2. 加权轮询（Weighted Round Robin）

1
2
3
4
5
upstream backend {
    server 192.168.1.101:8080 weight=3;
    server 192.168.1.102:8080 weight=2;
    server 192.168.1.103:8080 weight=1;
}

3. IP哈希（IP Hash）

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4
5
6
upstream backend {
    ip_hash;
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
    server 192.168.1.103:8080;
}

4.2.2 动态负载均衡算法

1. 最少连接（Least Connections）

1
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4
5
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upstream backend {
    least_conn;
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
    server 192.168.1.103:8080;
}

2. 加权最少连接（Weighted Least Connections）

1
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3
4
5
6
upstream backend {
    least_conn;
    server 192.168.1.101:8080 weight=3;
    server 192.168.1.102:8080 weight=2;
    server 192.168.1.103:8080 weight=1;
}

3. 响应时间（Response Time）

  • 选择响应时间最短的服务器
  • 需要实时监控服务器响应时间
  • 适用于对延迟敏感的应用

4.3 Nginx负载均衡详解

4.3.1 Nginx负载均衡配置

基础配置：

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http {
    upstream backend {
        server 192.168.1.101:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
        server 192.168.1.102:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
        server 192.168.1.103:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
    }
    
    server {
        listen 80;
        server_name example.com;
        
        location / {
            proxy_pass http://backend;
            proxy_set_header Host $host;
            proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
            proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        }
    }
}

4.3.2 健康检查配置

被动健康检查：

1
2
3
4
5
upstream backend {
    server 192.168.1.101:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
    server 192.168.1.102:8080 max_fails=3 fail_timeout=30s;
    server 192.168.1.103:8080 backup;  # 备用服务器
}

主动健康检查（Nginx Plus）：

1
2
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5
6
7
8
upstream backend {
    zone backend 64k;
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
    server 192.168.1.103:8080;
    
    health_check interval=5s fails=3 passes=2 uri=/health;
}

4.3.3 会话保持

IP哈希会话保持：

1
2
3
4
5
upstream backend {
    ip_hash;
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
}

Cookie会话保持：

1
2
3
4
5
6
upstream backend {
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080;
    
    sticky cookie srv_id expires=1h domain=.example.com path=/;
}

4.4 负载均衡高可用方案

4.4.1 Keepalived + Nginx

主备模式：

1
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25
# 主节点配置
vrrp_instance VI_1 {
    state MASTER
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 100
    advert_int 1
    
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100
    }
}

# 备节点配置
vrrp_instance VI_1 {
    state BACKUP
    interface eth0
    virtual_router_id 51
    priority 90
    advert_int 1
    
    virtual_ipaddress {
        192.168.1.100
    }
}

4.4.2 集群模式

LVS集群：

  • LVS-NAT：网络地址转换
  • LVS-DR：直接路由
  • LVS-TUN：IP隧道

第五章：网络性能优化

5.1 网络性能指标

5.1.1 关键性能指标

指标 定义 测量工具 优化方向
带宽 数据传输速率 iperf, speedtest 升级链路、压缩数据
延迟 数据往返时间 ping, traceroute CDN、就近部署
丢包率 数据包丢失比例 ping, mtr 网络质量、重传机制
抖动 延迟变化程度 ping -c 100 QoS、缓冲机制
吞吐量 实际传输速率 wget, curl 优化协议、并行传输

5.2 网络优化策略

5.2.1 CDN优化

CDN工作原理：

1
2
3
4
5
1. 用户访问www.example.com
2. DNS解析到最近的CDN节点
3. CDN节点检查缓存
4. 缓存命中：直接返回内容
5. 缓存未命中：回源获取内容并缓存

CDN优化技巧：

  • 缓存策略：设置合理的Cache-Control
  • 缓存预热：提前加载热门内容
  • 版本控制：使用版本号避免缓存污染
  • 域名分片：突破浏览器并发限制

5.2.2 网络协议优化

HTTP优化：

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8
9
10
11
# 启用gzip压缩
gzip on;
gzip_types text/plain text/css application/json application/javascript;
gzip_min_length 1000;

# 启用HTTP/2
listen 443 ssl http2;

# 优化keepalive
keepalive_timeout 65;
keepalive_requests 100;

TCP优化：

1
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6
7
8
9
10
# Linux内核参数优化
# 增大TCP缓冲区
net.core.rmem_max = 16777216
net.core.wmem_max = 16777216

# 启用TCP窗口缩放
net.ipv4.tcp_window_scaling = 1

# 优化TCP拥塞控制
net.ipv4.tcp_congestion_control = bbr

5.2.3 前端网络优化

资源优化：

  • 压缩：Gzip、Brotli压缩
  • 合并：减少HTTP请求数
  • 雪碧图：合并小图标
  • 懒加载：延迟加载非关键资源

缓存优化：

1
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# 静态资源缓存
location ~* \.(jpg|jpeg|png|gif|ico|css|js)$ {
    expires 1y;
    add_header Cache-Control "public, immutable";
}

# HTML不缓存
location ~* \.html$ {
    expires -1;
    add_header Cache-Control "no-cache, no-store, must-revalidate";
}

5.3 网络监控与诊断

5.3.1 网络监控工具

基础监控：

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# 连通性测试
ping www.example.com

# 路由跟踪
traceroute www.example.com
mtr www.example.com

# 端口扫描
nmap -p 80,443 www.example.com

# 带宽测试
iperf3 -c server_ip

高级监控：

1
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# TCP连接分析
ss -tuln
netstat -tuln

# 网络抓包
tcpdump -i eth0 port 80
wireshark

# 应用层监控
curl -w "@curl-format.txt" -o /dev/null -s www.example.com

5.3.2 性能分析工具

Web性能分析：

  • WebPageTest：在线性能测试
  • Lighthouse：Google性能审计工具
  • GTmetrix：网站性能分析
  • Pingdom：网站监控服务

网络性能分析：

1
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9
# 分析HTTP请求
curl -H "Accept-Encoding: gzip" -I www.example.com

# 测试SSL/TLS性能
openssl s_client -connect www.example.com:443

# DNS性能测试
dig www.example.com
nslookup www.example.com

5.4 高并发网络优化

5.4.1 连接池优化

数据库连接池：

1
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4
5
6
HikariConfig config = new HikariConfig();
config.setMaximumPoolSize(20);
config.setMinimumIdle(5);
config.setConnectionTimeout(30000);
config.setIdleTimeout(600000);
config.setMaxLifetime(1800000);

HTTP连接池：

1
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5
6
7
PoolingHttpClientConnectionManager cm = new PoolingHttpClientConnectionManager();
cm.setMaxTotal(200);
cm.setDefaultMaxPerRoute(50);

CloseableHttpClient httpClient = HttpClients.custom()
    .setConnectionManager(cm)
    .build();

5.4.2 异步处理优化

NIO优化：

1
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10
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();
    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    // 处理IO事件
}

Netty优化：

1
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13
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        public void initChannel(SocketChannel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new HttpServerCodec());
            ch.pipeline().addLast(new HttpObjectAggregator(65536));
            ch.pipeline().addLast(new HttpRequestHandler());
        }
    })
    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

第六章：网络安全与优化

6.1 网络安全威胁

6.1.1 常见网络攻击

DDoS攻击类型：

  • SYN Flood：耗尽服务器连接队列
  • UDP Flood：耗尽网络带宽
  • HTTP Flood：耗尽应用资源
  • DNS放大攻击：利用DNS响应放大攻击流量

防护策略：

1
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10
# 限制连接数
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=api:10m rate=10r/s;
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;

server {
    location /api/ {
        limit_req zone=api burst=20 nodelay;
        limit_conn addr 10;
    }
}

6.2 安全优化措施

6.2.1 SSL/TLS优化

安全配置：

1
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10
11
# 禁用不安全的协议和算法
ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA512:DHE-RSA-AES256-GCM-SHA512;
ssl_prefer_server_ciphers off;

# 启用OCSP Stapling
ssl_stapling on;
ssl_stapling_verify on;

# 启用HSTS
add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000" always;

6.2.2 WAF配置

ModSecurity规则示例：

1
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4
5
6
7
# 防止SQL注入
SecRule ARGS "@detectSQLi" \
    "id:1001,phase:2,block,msg:'SQL Injection Attack Detected'"

# 防止XSS攻击
SecRule ARGS "@detectXSS" \
    "id:1002,phase:2,block,msg:'XSS Attack Detected'"

第七章：实战案例分析

7.1 高并发网站架构

7.1.1 电商网站架构

架构层次：

1
用户 → CDN → 负载均衡器 → Web服务器 → 应用服务器 → 缓存层 → 数据库

技术选型：

  • CDN：阿里云CDN、腾讯云CDN
  • 负载均衡：Nginx、LVS、HAProxy
  • Web服务器：Nginx、Apache
  • 应用服务器：Tomcat、Spring Boot
  • 缓存：Redis、Memcached
  • 数据库：MySQL、MongoDB

7.1.2 性能优化案例

案例：某电商大促优化

问题分析：

  • 页面加载时间：8秒
  • 并发连接数：5000
  • 数据库QPS：20000

优化措施：

  1. CDN优化：静态资源CDN化，减少80%回源流量
  2. 连接池优化：数据库连接池从50调整到200
  3. 缓存优化：Redis缓存命中率提升到95%
  4. 负载均衡：从轮询改为最少连接算法

优化结果：

  • 页面加载时间：8秒 → 2秒
  • 并发连接数：5000 → 20000
  • 数据库QPS：20000 → 5000

7.2 微服务网络优化

7.2.1 Service Mesh架构

Istio网络优化：

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2
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15
16
17
18
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
  name: productpage
spec:
  host: productpage
  trafficPolicy:
    connectionPool:
      tcp:
        maxConnections: 100
      http:
        http1MaxPendingRequests: 50
        maxRequestsPerConnection: 2
    loadBalancer:
      consistentHash:
        httpCookie:
          name: "session-affinity"
          ttl: 3600s

7.2.2 服务网格性能监控

监控指标：

  • 请求延迟：P50、P95、P99
  • 错误率：4xx、5xx错误比例
  • 吞吐量：RPS（Requests Per Second）
  • 连接数：活跃连接数、连接池使用率

第八章：面试真题解析

8.1 HTTP/HTTPS高频面试题

8.1.1 HTTPS握手过程

详细步骤：

  1. 客户端发送Client Hello
  2. 服务器返回Server Hello + 证书
  3. 客户端验证证书
  4. 密钥交换（ECDHE）
  5. 生成会话密钥
  6. 完成握手

性能优化：

  • 会话复用（Session Resumption）
  • OCSP Stapling
  • HSTS预加载
  • TLS 1.3（0-RTT）

8.1.2 HTTP/2 vs HTTP/1.1

HTTP/2优势：

  • 二进制分帧：减少解析开销
  • 多路复用：解决队头阻塞
  • 头部压缩：HPACK算法
  • 服务器推送：减少RTT

HTTP/2限制：

  • 队头阻塞依然存在（TCP层）
  • 需要HTTPS支持
  • 服务器推送可能浪费带宽

8.2 TCP/IP高频面试题

8.2.1 TCP三次握手详解

为什么需要三次握手？

  1. 防止历史连接：避免已失效的连接请求
  2. 同步序列号：确保双方初始序列号同步
  3. 验证全双工：确认双方收发能力正常

SYN Flood攻击防护：

  • SYN Cookie：不分配资源直到收到ACK
  • SYN Cache：使用哈希表存储半连接
  • 防火墙限速：限制SYN包频率

8.2.2 TCP滑动窗口机制

窗口大小计算：

1
2
3
发送窗口 = min(拥塞窗口, 接收窗口)
拥塞窗口：发送方根据网络拥塞控制
接收窗口：接收方根据缓冲区大小

窗口探测机制：

  • 零窗口探测：当接收窗口为0时
  • 窗口更新：接收方窗口变化时通知发送方

8.3 DNS与负载均衡面试题

8.3.1 DNS解析过程详解

完整解析流程：

1
浏览器缓存 → 系统缓存 → hosts文件 → 本地DNS → 根服务器 → TLD服务器 → 权威服务器

DNS优化策略：

  • DNS预解析：<link rel="dns-prefetch" href="//example.com">
  • 减少域名数量：避免过多DNS查询
  • 合理设置TTL：平衡性能和可用性

8.3.2 负载均衡算法对比

算法选择场景：

  • 轮询：服务器性能相近
  • 加权轮询：服务器性能差异大
  • 最少连接：长连接应用
  • IP哈希：需要会话保持
  • 一致性哈希：分布式缓存

8.4 网络优化面试题

8.4.1 CDN优化策略

CDN缓存策略：

  • 静态资源：长时间缓存（1年）
  • HTML文件：短时间缓存或协商缓存
  • API接口：根据业务需求设置

CDN回源优化：

  • 合并回源：减少回源请求数
  • 预热机制：提前加载热门内容
  • 智能压缩：Brotli、Gzip压缩

8.4.2 高并发网络优化

连接优化：

  • 连接池：复用TCP连接
  • HTTP/2：多路复用减少连接数
  • 域名分片：突破浏览器并发限制

传输优化：

  • 压缩：Gzip、Brotli压缩文本
  • 缓存：强缓存、协商缓存
  • 预加载：关键资源提前加载

总结

计算机网络是一个复杂的系统工程，涉及多个协议层级的协同工作。本文系统梳理了：

  1. HTTP/HTTPS：协议演进、握手过程、性能优化
  2. TCP/IP：三次握手、四次挥手、拥塞控制
  3. DNS：解析过程、缓存机制、安全扩展
  4. 负载均衡：算法选择、高可用方案、配置优化
  5. 网络优化：CDN、协议优化、性能监控
  6. 安全防护：DDoS防护、SSL优化、WAF配置

掌握这些知识点不仅有助于技术面试，更重要的是能够构建高性能、高可用的网络系统。建议结合实际项目进行实践，通过工具进行性能测试和优化。

参考文献

  1. 《计算机网络：自顶向下方法》- James F. Kurose & Keith W. Ross
  2. 《HTTP权威指南》- David Gourley & Brian Totty
  3. 《TCP/IP详解》- W. Richard Stevens
  4. 《高性能网站建设指南》- Steve Souders
  5. 《Web性能权威指南》- Ilya Grigorik
  6. Cloudflare网络优化最佳实践
  7. AWS网络架构设计指南
  8. Nginx官方文档

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