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HTTP、TCP 和 WebSocket ​

一、OSI 七层模型和 TCP/IP 模型 ​

1. OSI 七层模型 ​

层名称功能协议示例
7应用层用户接口HTTP、FTP、SMTP
6表示层数据格式转换SSL、TLS
5会话层会话管理SQL、RPC
4传输层端到端通信TCP、UDP
3网络层路由转发IP、ICMP
2数据链路层帧传输Ethernet、PPP
1物理层比特流传输双绞线、光纤

2. TCP/IP 四层模型 ​

层对应 OSI功能协议
应用层5-7应用程序接口HTTP、FTP、DNS
传输层4端到端通信TCP、UDP
网络层3IP 寻址和路由IP、ICMP
网络接口层1-2物理和数据链路Ethernet

二、TCP（传输控制协议） ​

1. TCP 的特点 ​

✅ 面向连接 - 建立连接后才能通信
✅ 可靠传输 - 保证数据不丢失、不重复、有序到达
✅ 全双工通信 - 双向数据传输
✅ 流量控制 - 通过滑动窗口控制发送速度
✅ 拥塞控制 - 根据网络状况调整发送速率

2. TCP 三次握手 ​

建立连接过程：

客户端                          服务端
  |                               |
  |----SYN(seq=x)--------------->|
  |                               | 进入 SYN_RCVD
  |<--SYN+ACK(seq=y, ack=x+1)----|
  |                               | 进入 ESTABLISHED
  |----ACK(ack=y+1)-------------->|
  |                               |
  进入 ESTABLISHED                |

详细说明：

  1. 第一次握手：客户端发送 SYN（seq=x）到服务端，客户端进入 SYN_SENT
  2. 第二次握手：服务端发送 SYN+ACK（seq=y, ack=x+1）到客户端，服务端进入 SYN_RCVD
  3. 第三次握手：客户端发送 ACK（ack=y+1）到服务端，双方进入 ESTABLISHED

为什么需要三次握手？

  • 防止旧的连接请求到达服务端（序列号验证）
  • 确保双方都能发送和接收数据（确认双方的发送和接收能力）
  • 同步初始序列号

3. TCP 四次挥手 ​

断开连接过程：

客户端                          服务端
  |                               |
  |----FIN(seq=x)--------------->|
  |                               | 进入 CLOSE_WAIT
  |<--ACK(ack=x+1)---------------|
  |                               |
  |<--FIN(seq=y)-----------------|
  |                               | 进入 LAST_ACK
  |----ACK(ack=y+1)-------------->|
  |                               | 进入 CLOSED
  进入 TIME_WAIT                 |
  等待 2MSL                      |
  进入 CLOSED                    |

为什么需要四次挥手？

  • 全双工通信，需要分别关闭发送和接收通道
  • 客户端发送 FIN，服务端可能还有数据要发送
  • 服务端发送完数据后再发送 FIN

TIME_WAIT 的作用？

  • 确保最后的 ACK 到达服务端（如果丢失，服务端会重发 FIN）
  • 防止旧连接的包影响新连接
  • 等待时间通常是 2MSL（Maximum Segment Lifetime）

4. TCP 可靠传输机制 ​

1. 确认应答（ACK）

  • 接收方收到数据后发送 ACK 确认
  • 序列号用于保证数据有序

2. 超时重传

  • 发送方等待 ACK 超时后重传数据
  • 超时时间根据网络状况动态调整

3. 滑动窗口

  • 允许发送方连续发送多个数据包，无需等待每个 ACK
  • 接收方通过窗口大小控制发送方的发送速度

4. 拥塞控制

  • 慢启动 - 初始拥塞窗口较小，指数增长
  • 拥塞避免 - 达到阈值后线性增长
  • 快速重传 - 收到 3 个重复 ACK 后立即重传
  • 快速恢复 - 快速重传后进入恢复阶段

5. TCP vs UDP ​

特性TCPUDP
连接面向连接无连接
可靠性可靠不可靠
有序性有序无序
速度较慢较快
开销较大较小
应用场景HTTP、FTP、SMTPDNS、视频流、游戏

三、HTTP（超文本传输协议） ​

1. HTTP 的特点 ​

  • 无状态 - 每个请求独立，不保存状态
  • 请求-响应模式 - 客户端发送请求，服务端返回响应
  • 基于 TCP - HTTP 运行在 TCP 之上
  • 明文传输 - 默认不加密（HTTPS 加密）

2. HTTP 请求结构 ​

GET /api/users HTTP/1.1
Host: example.com
User-Agent: Mozilla/5.0
Accept: application/json
Content-Type: application/json

请求体（可选）

请求行：

  • 方法：GET、POST、PUT、DELETE 等
  • URL：请求的资源路径
  • 版本：HTTP/1.1、HTTP/2

请求头：

  • Host：服务器域名
  • User-Agent：客户端信息
  • Accept：接受的响应类型
  • Content-Type：请求体类型

3. HTTP 响应结构 ​

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/json
Content-Length: 123
Date: Wed, 21 Oct 2025 12:00:00 GMT

响应体

状态行：

  • 版本：HTTP/1.1
  • 状态码：200、404、500 等
  • 状态文本：OK、Not Found、Internal Server Error

4. HTTP 方法 ​

方法说明幂等性安全性
GET获取资源✅✅
POST创建资源❌❌
PUT更新资源（全量）✅❌
PATCH更新资源（部分）❌❌
DELETE删除资源✅❌
HEAD获取响应头✅✅
OPTIONS获取支持的方法✅✅

5. HTTP 状态码 ​

1xx - 信息性

  • 100 Continue - 继续
  • 101 Switching Protocols - 切换协议

2xx - 成功

  • 200 OK - 成功
  • 201 Created - 已创建
  • 204 No Content - 无内容

3xx - 重定向

  • 301 Moved Permanently - 永久重定向
  • 302 Found - 临时重定向
  • 304 Not Modified - 未修改（缓存）

4xx - 客户端错误

  • 400 Bad Request - 错误请求
  • 401 Unauthorized - 未授权
  • 403 Forbidden - 禁止访问
  • 404 Not Found - 未找到
  • 409 Conflict - 冲突

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

6. HTTP/1.1 vs HTTP/2 ​

特性HTTP/1.1HTTP/2
多路复用❌✅
头部压缩❌✅
服务器推送❌✅
二进制分帧❌✅
请求管道化✅（有限）✅（真正）

HTTP/2 优势：

  • 多路复用 - 一个连接可以同时处理多个请求
  • 头部压缩 - 使用 HPACK 压缩头部
  • 服务器推送 - 服务器可以主动推送资源
  • 二进制分帧 - 更高效的解析

7. HTTPS（安全超文本传输协议） ​

HTTPS = HTTP + SSL/TLS

加密过程：

  1. 客户端请求 HTTPS 连接
  2. 服务器返回证书（包含公钥）
  3. 客户端验证证书
  4. 客户端生成对称加密密钥，用公钥加密后发送给服务器
  5. 服务器用私钥解密，获得对称密钥
  6. 后续通信使用对称加密

SSL/TLS 握手过程：

  • Client Hello - 客户端发送支持的加密套件
  • Server Hello - 服务器选择加密套件并返回证书
  • Client Key Exchange - 客户端生成并加密会话密钥
  • Change Cipher Spec - 切换到加密通信

8. HTTP 常见面试题 ​

Q1: GET 和 POST 的区别？

特性GETPOST
参数位置URL 查询字符串请求体
参数长度限制有限（URL 长度限制）无限制
安全性参数暴露在 URL相对安全
缓存可缓存通常不缓存
幂等性✅❌
使用场景查询数据创建/修改数据

Q2: Cookie 和 Session 的区别？

特性CookieSession
存储位置客户端服务端
安全性较低（可能被窃取）较高
存储大小有限（4KB）无限制
性能每次请求都携带需要服务端存储

Q3: HTTP 缓存机制？

  • 强缓存 - Cache-Control、Expires
  • 协商缓存 - ETag、Last-Modified
http
# 强缓存
Cache-Control: max-age=3600
Expires: Wed, 21 Oct 2025 13:00:00 GMT

# 协商缓存
ETag: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"
Last-Modified: Wed, 21 Oct 2025 12:00:00 GMT

四、WebSocket（Web 套接字） ​

1. WebSocket 的特点 ​

✅ 全双工通信 - 客户端和服务器可以同时发送数据
✅ 持久连接 - 建立连接后保持打开状态
✅ 低延迟 - 无需每次发送 HTTP 请求头
✅ 服务器推送 - 服务器可以主动向客户端推送数据
✅ 跨域友好 - 通过 Origin 头部验证来源

2. WebSocket vs HTTP ​

特性WebSocketHTTP
连接方式持久连接请求-响应后断开
通信方式全双工半双工
协议开销小（只有数据帧）大（每次都有头部）
服务器推送✅ 支持❌ 不支持（需要轮询）
使用场景实时通信、游戏REST API、网页

3. WebSocket 握手过程 ​

客户端请求：

http
GET /chat HTTP/1.1
Host: example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

服务器响应：

http
HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

握手后：

  • 连接升级为 WebSocket 协议
  • 使用二进制帧进行通信
  • 不再使用 HTTP 协议

4. WebSocket 帧结构 ​

 0                   1                   2                   3
 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
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+
|F|R|R|R| opcode|M| Payload len |    Extended payload length    |
|I|S|S|S|  (4)  |A|     (7)     |             (16/64)           |
|N|V|V|V|       |S|             |   (if payload len==126/127)   |
| |1|2|3|       |K|             |                               |
+-+-+-+-+-------+-+-------------+-------------------------------+

关键字段：

  • FIN - 是否最后一帧
  • Opcode - 操作码（文本、二进制、关闭等）
  • Mask - 是否掩码（客户端必须掩码）
  • Payload length - 数据长度

5. .NET Core 中的 WebSocket 实现 ​

服务端：

csharp
// Program.cs
app.UseWebSockets();

app.Map("/ws", async context =>
{
    if (context.WebSockets.IsWebSocketRequest)
    {
        var webSocket = await context.WebSockets.AcceptWebSocketAsync();
        await Echo(webSocket);
    }
    else
    {
        context.Response.StatusCode = 400;
    }
});

async Task Echo(WebSocket webSocket)
{
    var buffer = new byte[1024 * 4];
    
    while (webSocket.State == WebSocketState.Open)
    {
        var result = await webSocket.ReceiveAsync(
            new ArraySegment<byte>(buffer), 
            CancellationToken.None);
        
        if (result.MessageType == WebSocketMessageType.Text)
        {
            var message = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, result.Count);
            // 处理消息
            var echo = $"Echo: {message}";
            
            await webSocket.SendAsync(
                new ArraySegment<byte>(Encoding.UTF8.GetBytes(echo)),
                WebSocketMessageType.Text,
                true,
                CancellationToken.None);
        }
        else if (result.MessageType == WebSocketMessageType.Close)
        {
            await webSocket.CloseAsync(
                WebSocketCloseStatus.NormalClosure,
                "Close received",
                CancellationToken.None);
        }
    }
}

客户端（JavaScript）：

javascript
const ws = new WebSocket('ws://localhost:5000/ws');

ws.onopen = () => {
    console.log('连接已建立');
    ws.send('Hello Server');
};

ws.onmessage = (event) => {
    console.log('收到消息:', event.data);
};

ws.onerror = (error) => {
    console.error('错误:', error);
};

ws.onclose = () => {
    console.log('连接已关闭');
};

6. SignalR（ASP.NET Core） ​

SignalR 是 ASP.NET Core 提供的实时通信框架，基于 WebSocket，并提供降级方案。

服务端：

csharp
// Hub
public class ChatHub : Hub
{
    public async Task SendMessage(string user, string message)
    {
        await Clients.All.SendAsync("ReceiveMessage", user, message);
    }
    
    public async Task JoinRoom(string roomName)
    {
        await Groups.AddToGroupAsync(Context.ConnectionId, roomName);
    }
    
    public async Task SendToRoom(string roomName, string message)
    {
        await Clients.Group(roomName).SendAsync("ReceiveMessage", message);
    }
}

// Program.cs
builder.Services.AddSignalR();
app.MapHub<ChatHub>("/chathub");

客户端：

javascript
const connection = new signalR.HubConnectionBuilder()
    .withUrl("/chathub")
    .build();

connection.on("ReceiveMessage", (user, message) => {
    console.log(`${user}: ${message}`);
});

connection.start().then(() => {
    connection.invoke("SendMessage", "Alice", "Hello");
});

7. WebSocket 常见面试题 ​

Q1: WebSocket 和 HTTP 长轮询的区别？

特性WebSocketHTTP 长轮询
连接持久连接每次请求保持一段时间
服务器推送✅ 实时⚠️ 伪推送（延迟）
开销小大（每次都有 HTTP 头）
实现复杂度中等简单

Q2: WebSocket 如何保持连接？

  • 使用心跳机制（Ping/Pong）
  • 定期发送 Ping 帧，接收方响应 Pong 帧
  • 如果长时间没有收到响应，关闭连接
csharp
// 心跳检测
_ = Task.Run(async () =>
{
    while (webSocket.State == WebSocketState.Open)
    {
        await Task.Delay(30000); // 30秒
        await webSocket.SendAsync(
            new ArraySegment<byte>(new byte[] { 0x9, 0x0 }), // Ping 帧
            WebSocketMessageType.Text,
            true,
            CancellationToken.None);
    }
});

Q3: WebSocket 的安全性如何保证？

  • 使用 WSS（WebSocket Secure）协议（基于 TLS）
  • 验证 Origin 头部，防止跨站请求伪造
  • 使用认证 Token 验证用户身份
  • 实现速率限制，防止 DoS 攻击

五、应用场景 ​

1. HTTP/HTTPS 使用场景 ​

  • RESTful API - 标准 HTTP 方法进行资源操作
  • Web 页面 - 获取 HTML、CSS、JavaScript
  • 文件传输 - 上传下载文件
  • 微服务通信 - 服务间 HTTP 调用

2. TCP 使用场景 ​

  • HTTP/HTTPS - 运行在 TCP 之上
  • 数据库连接 - MySQL、PostgreSQL 等
  • 邮件传输 - SMTP、POP3、IMAP
  • 文件传输 - FTP

3. WebSocket 使用场景 ​

  • 实时聊天 - 即时通讯应用
  • 在线游戏 - 实时游戏状态同步
  • 股票行情 - 实时价格推送
  • 协作工具 - 多人同时编辑
  • 监控大屏 - 实时数据展示
  • 在线教育 - 实时互动

六、性能优化建议 ​

1. HTTP 优化 ​

  • ✅ 使用 HTTP/2 或 HTTP/3
  • ✅ 启用 Gzip/Brotli 压缩
  • ✅ 使用 CDN 加速静态资源
  • ✅ 合理使用缓存（强缓存 + 协商缓存）
  • ✅ 合并请求，减少连接数（HTTP/1.1）
  • ✅ 使用 Keep-Alive 保持连接

2. TCP 优化 ​

  • ✅ 调整 TCP 窗口大小
  • ✅ 启用 TCP_NODELAY（禁用 Nagle 算法）
  • ✅ 使用连接池复用连接
  • ✅ 监控网络延迟和丢包率

3. WebSocket 优化 ​

  • ✅ 实现心跳机制保持连接
  • ✅ 使用二进制格式减少数据大小
  • ✅ 实现消息队列，防止消息丢失
  • ✅ 使用负载均衡（支持 WebSocket 的负载均衡器）
  • ✅ 监控连接数，防止资源耗尽

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