计算机网络

这一课你将能做到

1. 对应 OSI 七层与 TCP/IP 四层模型，说出每一层解决什么问题、有哪些代表协议
2. 描述 TCP 三次握手、四次挥手与可靠传输的基本机制，区分 TCP 与 UDP
3. 说清一次 HTTPS 请求从 DNS 解析到 TLS 握手再到 HTTP 响应的完整链路

为什么要学

分布式系统的本质是「通过网络协作的多台计算机」。判题平台里几乎每个动作都在走网络：浏览器用 HTTPS 调后端接口，后端用 JDBC 连 MySQL、用 RESP 协议连 Redis，微服务之间走 HTTP/gRPC，判题结果通过 WebSocket 实时推给用户。

网络知识直接决定排查问题的能力：接口超时是连不上还是对端慢？DNS 偶尔解析失败怎么办？为什么 HTTPS 多一次往返？TIME_WAIT 太多端口耗尽怎么处理？只会 @GetMapping 无法回答这些问题。本课建立分层模型与三个关键协议（TCP、TLS、HTTP）的直觉。

先建立图像

分层模型对照（数据自上而下逐层加「信封」）
OSI 七层            TCP/IP 四层     代表协议/设备        典型问题
7 应用层            应用层          HTTP/HTTPS, DNS     状态码、接口语义
6 表示层                            TLS, JSON, gzip     编码、加密
5 会话层                            WebSocket
4 传输层            传输层          TCP / UDP           端口、可靠/快速
3 网络层            网际层          IP, ICMP            寻址、路由、ping
2 数据链路层        网络接口层      以太网, ARP, MAC    局域网内投递
1 物理层                            网线/光纤/比特流

一次请求的旅程
浏览器
  │ 1.DNS: 域名 → IP（递归查询：缓存→本地DNS→根→顶级→权威）
  │ 2.TCP 三次握手建立连接
  │ 3.TLS 握手：协商算法、交换证书与密钥（非对称加密换出对称密钥）
  │ 4.HTTP 请求/响应（后续都用对称密钥加密）
  ▼
Nginx/负载均衡 ──▶ Spring Boot ──▶ MySQL/Redis

跟着做

步骤 1：亲手观察网络分层与连接

# 从下到上观察
ipconfig / ifconfig          # 看本机 IP、MAC（网络接口层/网际层信息）
ping judge.example.cn        # ICMP：测 IP 层连通性与延迟
nslookup judge.example.cn    # DNS：看域名解析到哪个 IP
tracert judge.example.cn     # Windows / traceroute：看经过哪些路由跳数

# 观察传输层连接（Linux/macOS）
netstat -an | grep ESTABLISHED      # 或 ss -tan：看 TCP 连接状态
curl -v https://judge.example.cn/api/problems   # -v 把 DNS、TCP、TLS、HTTP 全过程打出来

curl -v 是最值得养成的习惯：它依次打印解析到的 IP、TCP 连接建立、TLS 证书校验与加密套件协商、HTTP 请求头和响应状态码。一个命令看完整张分层图。

步骤 2：理解 TCP 三次握手与可靠传输

三次握手（建立连接，确认双方收发能力都正常）
  客户端              服务端
    ── SYN, seq=x ───────▶   我想连，我的序号是 x
    ◀── SYN+ACK, seq=y,
        ack=x+1 ─────────    我收到了，也想连，确认你
    ── ACK, ack=y+1 ────▶   确认你，连接建立
  为什么不是两次？要防止一个迟到的旧连接请求突然到达，
  白白让服务端建立连接并等待资源。

可靠传输四件套
  序号 + 确认ACK：每个字节有序号，没收到确认就重传
  超时重传：       计时器到期未确认 → 重发
  滑动窗口：       批量发送而不是发一个等一个，流量控制
  拥塞控制：       慢启动/拥塞避免，探测网络容量，避免灌爆网络

TCP vs UDP：TCP 面向连接、可靠、有序，代价是握手开销和头部较大（网页、文件、数据库连接都用它）；UDP 无连接、不保证可靠但延迟低、头部小（DNS 查询、视频通话、游戏同步、QUIC/HTTP3 在 UDP 上自建可靠性）。判题平台的实时状态推送用 WebSocket（基于 TCP），对延迟敏感的判题心跳可考虑 UDP 但要自己补确认。

步骤 3：用 Java Socket 写一个最小 TCP 通信

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class MiniTcp {

    // 判题 Worker：监听端口，收到题目ID后回送「已受理」
    static class JudgeServer {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            try (ServerSocket server = new ServerSocket(9000)) {
                System.out.println("判题机已启动，等待任务...");
                try (Socket socket = server.accept();
                     BufferedReader in = new BufferedReader(
                             new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                     PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true)) {
                    String problemId = in.readLine();
                    System.out.println("收到判题任务: " + problemId);
                    out.println("ACCEPTED:" + problemId);
                }
            }
        }
    }

    // 调度中心：发起连接并发送任务
    static class Scheduler {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            try (Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
                 PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);
                 BufferedReader in = new BufferedReader(
                         new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {
                out.println("problem-1024");
                System.out.println("调度中心收到: " + in.readLine());
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try { JudgeServer.main(args); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); }
        }).start();
        Thread.sleep(500);
        Scheduler.main(args);
    }
}

这就是所有网络通信的骨架：IP 定位机器、端口定位进程内的程序、Socket 抽象出字节流。HTTP、JDBC、Redis 协议全部是在这个字节流上约定的「对话格式」。

步骤 4：HTTPS 与 TLS——在不可靠网络上建立可信通道

TLS 握手直觉（混合密码体系：非对称加密负责「安全地交换钥匙」，
之后用对称加密传输数据，因为对称加密快得多）

1. Client Hello：支持的 TLS 版本、加密套件、随机数
2. Server Hello：选定套件 + 随机数 + 数字证书（含公钥，由 CA 签名）
3. 客户端验证证书链与域名合法性，生成 pre-master secret，用服务端公钥加密发出
4. 双方用三个随机数算出会话密钥，互发 Finished 验证
5. 之后 HTTP 数据全部用会话密钥做对称加密 + 完整性校验

要点：证书解决「你连的服务器是不是真的」（信任链锚定到系统内置的根 CA）；TLS 同时提供机密性（别人看不懂）和完整性（数据被篡改能发现），还防重放。生产中 Nginx/网关终止 TLS，内部链路可加密或在内网信任域内；证书过期是最常见的线上事故之一，要做到期监控。

讲清楚要点

1. 分层的意义是分工与解耦：每层只解决一类问题并向上层提供服务；数据包在发送端逐层封装、接收端逐层解封。排查问题时按层定位（先 ping 再 curl），不要跨层乱猜。
2. IP 负责「送到哪台机器」，端口负责「交给哪个程序」：端口 16 位，HTTP 80、HTTPS 443、MySQL 3306、Redis 6379；NAT 让多台内网机器共享公网 IP。
3. TCP 的状态机要眼熟：LISTEN → SYN_SENT/RCVD → ESTABLISHED；主动关闭方进入 FIN_WAIT → TIME_WAIT（等待 2MSL，确保最后 ACK 到达和旧报文消亡）。高并发短连接下 TIME_WAIT 堆积会耗尽端口，解法是连接池、长连接、调内核参数。
4. HTTP 是无状态的请求-响应协议：Cookie/Session、JWT 用来在无状态之上识别用户；常见状态码要会：301/302 重定向、304 协商缓存、400 参数错、401 未认证、403 无权限、404 不存在、429 限流、500 服务端错、502/503/504 网关与超时。
5. DNS 是网络的电话簿：浏览器/OS 多级缓存 + 递归查询；它基于 UDP（快），响应过大或区域传送用 TCP；DNS 故障表现为「IP 能 ping 通但域名打不开」。

你可能会懵的地方

• 三次握手第三次握手丢了怎么办？ 客户端认为连接已建立并可直接发数据；服务端处于 SYN_RCVD，它会重发 SYN+ACK。客户端若有数据发出，数据报文带 ACK，服务端收到也会转入 ESTABLISHED；若一直没确认，服务端超时后放弃。

• 为什么挥手要四次而握手三次？ 握手时服务端的 SYN 和 ACK 可以合并成一条。挥手时 TCP 全双工，两个方向要分别关闭：收到 FIN 只表示对方没数据发了，但自己可能还有数据要发，所以 ACK 和自己的 FIN 通常分开发，共四次。

• HTTPS 一定安全吗？中间人能不能攻击？ 用户正确校验证书链时，中间人无法伪造可信证书，攻击会被浏览器警告。但如果用户信任了恶意根证书、设备被装了抓包代理、或应用代码关闭了证书校验（信任全部证书），HTTPS 就形同虚设——客户端安全同样重要。

• HTTP/1.1、HTTP/2、HTTP/3 差在哪？ 1.1 长连接复用但仍有队头阻塞（一个请求慢，后面排队）；2 改为二进制分帧、多路复用、头部压缩；3 基于 QUIC（UDP），解决 TCP 层队头阻塞、握手更快、连接迁移好。Spring Boot 3 + 现代 Nginx 已可开启 HTTP/2。

• 连数据库用连接池和网络有什么关系？ TCP 三次握手 + 认证有往返成本，频繁建连还会产生 TIME_WAIT 堆积；连接池复用长连接，同时限制数据库连接总数，是「网络成本 + 数据库负载」双方面的优化。

错法对照

错法	问题	正解
接口不设超时（connect/read timeout）	对端挂起时线程被无限拖住	两类超时都设，配合重试与熔断
失败就无脑重试三次	非幂等操作重复执行、放大故障	仅对幂等请求重试 + 指数退避 + 总次数上限
内网调用走公网域名/公网 IP	延迟与带宽成本、安全面扩大	内网 DNS/VIP/服务发现直接通信
代码里写死 IP 或第三方地址	IP 变更即故障	域名 + 配置中心；监控 DNS 与证书
高并发用短连接且不监控端口	TIME_WAIT 堆积、端口耗尽	连接池/长连接，监控连接状态分布

卡点急救

1. 接口偶发超时：先 ping/curl -v 分段测量——是 DNS 慢、TCP 建连慢、TLS 慢还是响应慢；再看对端负载与网络丢包，不同环节不同解法。
2. 域名整体打不开：用 nslookup 对比公共 DNS（如 223.5.5.5、8.8.8.8）判断是否解析故障； hosts 被改、权威 DNS、注册过期都可能，逐级排查。
3. 服务出现大量 502/连接重置：检查后端是否重启、keep-alive 配置是否两端一致、连接池是否把已被对端关闭的连接发给了对方（开启连接有效性检测）。

面试常问

• 从输入 URL 到页面展示发生了什么？（后端版） DNS 解析得到 IP；TCP 三次握手；TLS 握手交换证书与会话密钥；发送 HTTP 请求，经负载均衡到 Spring Boot；服务查缓存/数据库返回响应；浏览器渲染。能再深入讲 ARP、路由、NAT、CDN 是加分项。

• TCP 如何保证可靠传输？ 字节序号与确认应答、超时重传、滑动窗口做流量控制、拥塞控制（慢启动、拥塞避免、快重传快恢复）、校验和与去重。可靠性是这些机制叠加的结果。

• TLS 握手为什么要用非对称加密？为什么之后又改用对称加密？ 非对称加密解决在不安全信道上安全协商密钥的问题（公钥可公开、私钥解密），但计算昂贵；对称加密速度快，适合大批量数据。TLS 用前者安全换钥匙、用后者高效传内容，是混合密码体系的标准设计。

自测三问

1. 不看资料默画 OSI/TCP-IP 对照表，并各层写一个协议或排查命令。
2. 解释 TIME_WAIT 为什么存在、什么情况下会出问题、至少两种缓解手段。
3. 判题平台从 HTTP 升级到 HTTPS，链路上哪些组件要改？证书过期前如何发现？

小结一句话

网络靠分层把「比特投递、机器寻址、进程通信、加密信任、应用语义」逐级解决——TCP 让字节流可靠有序，TLS 让它机密可信，HTTP 让它有业务含义，理解分层就掌握了排查分布式故障的路线图。

延伸

• 《计算机网络：自顶向下方法》配套资源（Kurose & Ross）——网络入门权威教材，自顶向下契合后端视角
• MDN：HTTPS 与 TLS 工作原理——TLS 机制的权威通俗讲解
• RFC 9110：HTTP 语义（IETF 官方规范）
• 下一课：系统设计入门——单机、单库、单网络链路都清楚之后，学习把多个组件组合成可扩展的系统：容量估算、负载均衡与缓存。