计算机网络基础概念（二）

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应用层基础概念

URL 是什么？它的组成结构是什么？

URL（统一资源定位器）是互联网上唯一资源的地址。它是浏览器用来检索已发布资源的关键机制之一，例如 HTML 页面、CSS 文档、图像等。理论上，每个有效的 URL 都指向一个唯一的资源。在实践中，有一些例外，最常见的是指向不再存在或已移动的资源的 URL，它们指向的文件可能已经被重定位到另一个位置，这样就有多个 URL 指向同一个文件。

1. 协议（Scheme）：指定用于访问资源的协议类型，常见的有 http://、https://、ftp://、file://、mailto: 等。其中 http 是超文本传输协议，而 https 是安全版本，使用 SSL/TLS 加密来保护数据传输的安全性。协议后面通常跟着 :// 分隔符，这是 URL 结构中的重要标识。
2. 域名（Domain Name）：标识服务器在互联网上的位置，由多个部分组成并用点号分隔。例如在 www.example.com 中，com 是顶级域名，example 是二级域名，www 是子域名。域名通过 DNS 系统解析为对应的 IP 地址，这样浏览器才能找到正确的服务器位置。
3. 端口（Port）：指定服务器上运行特定服务的端口号，HTTP协议默认使用80端口，HTTPS 协议默认使用443端口。当使用默认端口时，端口号可以省略不写，格式为域名后加冒号，如 :8080 表示使用8080端口。
4. 资源路径（Path to the file）：指定服务器上资源的具体位置，类似于文件系统中的路径结构。路径以 / 开头，表示从服务器根目录开始，例如 /images/logo.png 表示服务器根目录下 images 文件夹中的 logo.png 文件，/api/users 表示 API 接口路径。
5. 参数（Parameters）：也称为查询字符串（Query String），以 ? 开头并包含键值对形式的参数。多个参数之间用 & 连接，用于向服务器传递额外的信息，例如 ?name=value&id=123 表示传递 name 和 id 两个参数给服务器。
6. 锚点（Anchor）：也称为片段标识符（Fragment Identifier），以 # 开头，用于定位页面内的特定位置。锚点不会发送到服务器，仅在客户端浏览器中使用，例如 #section1 可以跳转到页面中 id 为 section1 的元素位置。

HTTP 与 HTTPS 协议是什么？

HTTP 协议

超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol) 是一种用于传输超文本和多媒体内容的协议，主要是为 Web 浏览器与 Web 服务器之间的通信而设计的。HTTP 使用客户端-服务器模型，客户端向服务器发送 HTTP Request（请求），服务器响应请求并返回 HTTP Response（响应）。过程如下：

HTTP 的请求示例：

• Method：请求方法，例如 GET、POST、PUT、DELETE
• Path：请求路径，例如 /、/api/users
• Protocol version：协议版本，例如 HTTP/1.1、HTTP/2
• Headers：请求头，例如 Host、Accept-Language、User-Agent、Content-Type 等

HTTP 响应示例：

• Protocol version：协议版本，例如 HTTP/1.1、HTTP/2
• Status code：状态码，例如 200、404、500
• Status message：原因短语，例如 OK、Not Found、Internal Server Error
• Headers：响应头，例如 Content-Type、Content-Length、Set-Cookie、Cache-Control 等

HTTP 的主要特点：

• 简单可扩展：HTTP 的报文格式非常直观，请求和响应的头部（Headers）都是 Key: Value 的形式，易于人类阅读和理解。同时，开发者可以自定义头部字段，来增加新的功能，扩展性很强。
• 无状态（Stateless）：“无状态”意味着服务器不会记录任何关于客户端之前请求的信息，需借助 Cookie/Session/Token 维持登录等状态。
• 基于 TCP/QUIC 协议：HTTP/1.1 与 HTTP/2 运行在 TCP 之上，HTTP/1.1 通过 Keep-Alive 复用连接但易受队头阻塞影响；HTTP/2 在单个 TCP 连接内多路复用并压缩头部以提升并发与效率，但仍受 TCP 级队头阻塞约束。需要注意，HTTP/3 改为运行在基于 UDP 的 QUIC 之上（保持 HTTP 语义），减少握手时延并从传输层消除队头阻塞。

HTTPS 协议

HTTPS 协议（Hyper Text Transfer Protocol Secure），是 HTTP 的加强安全版本。HTTPS 是基于 HTTP 的，也是用 TCP 作为底层协议，并额外使用 SSL/TLS 协议用作加密和安全认证。

SSL/TLS 的工作原理：SSL/TLS 的核心在于一个叫做“握手 (Handshake)”的过程。这个过程的目标是让客户端和服务器在不安全的网络上，安全地协商出一个共享的、对称的加密密钥。一旦握手成功，后续的所有通信都用这个密钥来加密。

这个过程非常精妙，我们可以简化为以下几个步骤：

准备阶段： 网站运营者需要向一个叫做 CA (Certificate Authority，证书颁发机构) 的权威机构申请一张数字证书。这张证书里包含了网站的域名、一个公钥 (Public Key)，以及 CA 对此证书的数字签名。网站服务器会保存这个证书和与之配对的私钥 (Private Key)。

握手过程：

1. 客户端问好 (Client Hello)
   • 你的浏览器向服务器发送一个消息，说：“你好，我想建立一个安全连接。我支持这些加密算法（比如 AES、RSA），这里还有一个随机数（Client Random）。”
2. 服务器回应与出示证书 (Server Hello & Certificate)
   • 服务器收到后，回应说：“你好，咱们就用你列表里的这个加密算法吧。这是我的‘身份证’（数字证书），里面有我的公钥。这里也有一个我的随机数（Server Random）。”
3. 客户端验证与密钥交换 (Client Verification & Key Exchange)
   • 验证身份：浏览器会检查服务器发来的证书。
     • 证书是否过期？
     • 证书上的域名和正在访问的域名是否匹配？
     • 证书是不是由一个受信任的 CA 颁发的？（你的操作系统和浏览器里内置了一份受信任的 CA 列表）。
     • 如果验证通过，浏览器就确认了服务器的身份是可信的。
   • 生成“暗号”：浏览器再生成一个随机数（Pre-master Secret）。这个数是后续生成最终加密密钥的关键。
   • 安全地发送“暗号”：浏览器用从证书里拿到的公钥，将这个“暗号”加密，然后发送给服务器。
4. 服务器解密与生成会话密钥 (Server Decryption & Session Key Generation)
   • 服务器收到加密的“暗号”后，用自己的私钥进行解密，从而得到了和浏览器一样的那个“暗号”（Pre-master Secret）。
   • 现在，客户端和服务器都拥有了三个相同的信息：Client Random、Server Random 和 Pre-master Secret。
   • 双方使用一个预先商定好的算法，将这三个数混合在一起，各自独立地计算出最终用于通信的会话密钥 (Session Key)。
5. 握手完成 (Handshake Finished)
   • 双方互相发送一条用刚刚生成的会话密钥加密的消息，告诉对方：“我这边准备好了，咱们开始用这个新密钥加密通信吧。”
   • 如果对方能成功解密，就证明握手成功。

之后的所有通信（比如 HTTP 请求和响应），都会使用这个会话密钥进行对称加密，既高效又安全。

DNS 域名系统是什么？

参考文档

• What is a URL? - MDN Web Docs
• HTTP vs HTTPS - JavaGuide