网络知识
MTU和MSS
MTU全称是Maximum Transmission Unit，即最大传输单元(1500字节)。
MSS的英文全称叫Max Segment Size，是TCP最大段大小。
TCP为了IP层不用分片主动将数据包切割为MSS大小。
一个等式可见他两关系匪浅： MSS = MTU - IP header头大小 - TCP 头大小
Linux网络协议栈
当网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以确保分片后的 IP 包不会超过 MTU 大小，如果 MTU 越小，需要的分包就越多，那么网络吞吐能力就越差，相反的，如果 MTU 越大，需要的分包就越少，那么网络吞吐能力就越好。
Linux 发送网络包的流程
如上图的右半部分，发送网络包的流程正好和接收流程相反。
首先，应用程序会调用 Socket 发送数据包的接口，由于这个是系统调用，所以会从用户态陷入到内核态中的 Socket 层，内核会申请一个内核态的 sk_buff 内存，将用户待发送的数据拷贝到 sk_buff 内存，并将其加入到发送缓冲区。
接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中取出 sk_buff，并按照 TCP/IP 协议栈从上到下逐层处理。
如果使用的是 TCP 传输协议发送数据，那么先拷贝一个新的 sk_buff 副本 ，这是因为 sk_buff 后续在调用网络层，最后到达网卡发送完成的时候，这个 sk_buff 会被释放掉。而 TCP 协议是支持丢失重传的，在收到对方的 ACK 之前，这个 sk_buff 不能被删除。所以内核的做法就是每次调用网卡发送的时候，实际上传递出去的是 sk_buff 的一个拷贝，等收到 ACK 再真正删除。
接着，对 sk_buff 填充 TCP 头。这里提一下，sk_buff 可以表示各个层的数据包，在应用层数据包叫 data，在 TCP 层我们称为 segment，在 IP 层我们叫 packet，在数据链路层称为 frame。
你可能会好奇，为什么全部数据包只用一个结构体来描述呢？协议栈采用的是分层结构，上层向下层传递数据时需要增加包头，下层向上层数据时又需要去掉包头，如果每一层都用一个结构体，那在层之间传递数据的时候，就要发生多次拷贝，这将大大降低 CPU 效率。
于是，为了在层级之间传递数据时，不发生拷贝，只用 sk_buff 一个结构体来描述所有的网络包，那它是如何做到的呢？是通过调整 sk_buff 中 data 的指针，比如：
● 当接收报文时，从网卡驱动开始，通过协议栈层层往上传送数据报，通过增加 skb->data 的值，来逐步剥离协议首部。
● 当要发送报文时，创建 sk_buff 结构体，数据缓存区的头部预留足够的空间，用来填充各层首部，在经过各下层协议时，通过减少 skb->data 的值来增加协议首部。
你可以从下面这张图看到，当发送报文时，data 指针的移动过程。
至此，传输层的工作也就都完成了。
然后交给网络层，在网络层里会做这些工作：选取路由（确认下一跳的 IP）、填充 IP 头、netfilter 过滤、对超过 MTU 大小的数据包进行分片。处理完这些工作后会交给网络接口层处理。
网络接口层会通过 ARP 协议获得下一跳的 MAC 地址，然后对 sk_buff 填充帧头和帧尾，接着将 sk_buff 放到网卡的发送队列中。
这一些工作准备好后，会触发「软中断」告诉网卡驱动程序，这里有新的网络包需要发送，驱动程序会从发送队列中读取 sk_buff，将这个 sk_buff 挂到 RingBuffer 中，接着将 sk_buff 数据映射到网卡可访问的内存 DMA 区域，最后触发真实的发送。
当数据发送完成以后，其实工作并没有结束，因为内存还没有清理。当发送完成的时候，网卡设备会触发一个硬中断来释放内存，主要是释放 sk_buff 内存和清理 RingBuffer 内存。
最后，当收到这个 TCP 报文的 ACK 应答时，传输层就会释放原始的 sk_buff 。
HTTP缓存技术
当使用 ETag 字段实现的协商缓存的过程：
● 当浏览器第一次请求访问服务器资源时，服务器会在返回这个资源的同时，在 Response 头部加上 ETag 唯一标识，这个唯一标识的值是根据当前请求的资源生成的；
● 当浏览器再次请求访问服务器中的该资源时，首先会先检查强制缓存是否过期：
○ 如果没有过期，则直接使用本地缓存；
○ 如果缓存过期了，会在 Request 头部加上 If-None-Match 字段，该字段的值就是 ETag 唯一标识；
● 服务器再次收到请求后，会根据请求中的 If-None-Match 值与当前请求的资源生成的唯一标识进行比较：
○ 如果值相等，则返回 304 Not Modified，不会返回资源；
○ 如果不相等，则返回 200 状态码和返回资源，并在 Response 头部加上新的 ETag 唯一标识；
● 如果浏览器收到 304 的请求响应状态码，则会从本地缓存中加载资源，否则更新资源。
HTTP1.1的优缺点
简单，报文格式就是header+body，头部信息也是key-value简单文本的形式。
灵活和易于拓展，可以在URL、状态码、头部字段进行自定义和扩充
跨平台，pc 、手机端
缺点：
无状态（cookie控制终端状态）
明文传输
不安全
HTTP1.1的性能
- 长链接，减少了TCP连接的重复建立和断开所造成的额外开销，减轻服务端的负载
- 管道网络传输，客户端可以发起多个请求，减少整体的响应时间但是服务器必须按照接收请求的顺序发送对这些管道化请求的响应。
- 队头阻塞，当某一个请求被阻塞时，后面的请求也会一同被阻塞。
TLS握手过程
- ClientHello
首先，由客户端向服务器发起加密通信请求，也就是 ClientHello 请求。
在这一步，客户端主要向服务器发送以下信息：
（1）客户端支持的 TLS 协议版本，如 TLS 1.2 版本。
（2）客户端生产的随机数（Client Random），后面用于生成「会话秘钥」条件之一。
（3）客户端支持的密码套件列表，如 RSA 加密算法。 - SeverHello
服务器收到客户端请求后，向客户端发出响应，也就是 SeverHello。服务器回应的内容有如下内容：
（1）确认 TLS 协议版本，如果浏览器不支持，则关闭加密通信。
（2）服务器生产的随机数（Server Random），也是后面用于生产「会话秘钥」条件之一。
（3）确认的密码套件列表，如 RSA 加密算法。
（4）服务器的数字证书。
3.客户端回应
客户端收到服务器的回应之后，首先通过浏览器或者操作系统中的 CA 公钥，确认服务器的数字证书的真实性。
如果证书没有问题，客户端会从数字证书中取出服务器的公钥，然后使用它加密报文，向服务器发送如下信息：
（1）一个随机数（pre-master key）。该随机数会被服务器公钥加密。
（2）加密通信算法改变通知，表示随后的信息都将用「会话秘钥」加密通信。
（3）客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时把之前所有内容的发生的数据做个摘要，用来供服务端校验。
上面第一项的随机数是整个握手阶段的第三个随机数，会发给服务端，所以这个随机数客户端和服务端都是一样的。
服务器和客户端有了这三个随机数（Client Random、Server Random、pre-master key），接着就用双方协商的加密算法，各自生成本次通信的「会话秘钥」。 - 服务器的最后回应
服务器收到客户端的第三个随机数（pre-master key）之后，通过协商的加密算法，计算出本次通信的「会话秘钥」。
然后，向客户端发送最后的信息：
（1）加密通信算法改变通知，表示随后的信息都将用「会话秘钥」加密通信。
（2）服务器握手结束通知，表示服务器的握手阶段已经结束。这一项同时把之前所有内容的发生的数据做个摘要，用来供客户端校验。
HTTP2的优化
● 头部压缩（HTTP/2 会压缩头（Header）如果你同时发出多个请求，他们的头是一样的或是相似的，那么，协议会帮你消除重复的部分。）
● 二进制格式（TTP/2 不再像 HTTP/1.1 里的纯文本形式的报文，而是全面采用了二进制格式，头信息和数据体都是二进制，并且统称为帧（frame）：头信息帧（Headers Frame）和数据帧（Data Frame））
● 并发传输（引出了 Stream 概念，多个 Stream 复用在一条 TCP 连接）
● 服务器主动推送资源
HTTP3的优化
1、无队头阻塞
QUIC 协议也有类似 HTTP/2 Stream 与多路复用的概念，也是可以在同一条连接上并发传输多个 Stream，Stream 可以认为就是一条 HTTP 请求。
QUIC 有自己的一套机制可以保证传输的可靠性的。当某个流发生丢包时，只会阻塞这个流，其他流不会受到影响，因此不存在队头阻塞问题。这与 HTTP/2 不同，HTTP/2 只要某个流中的数据包丢失了，其他流也会因此受影响。
所以，QUIC 连接上的多个 Stream 之间并没有依赖，都是独立的，某个流发生丢包了，只会影响该流，其他流不受影响。
2、更快的连接建立
对于 HTTP/1 和 HTTP/2 协议，TCP 和 TLS 是分层的，分别属于内核实现的传输层、openssl 库实现的表示层，因此它们难以合并在一起，需要分批次来握手，先 TCP 握手，再 TLS 握手。
HTTP/3 在传输数据前虽然需要 QUIC 协议握手，但是这个握手过程只需要 1 RTT，握手的目的是为确认双方的「连接 ID」，连接迁移就是基于连接 ID 实现的。
但是 HTTP/3 的 QUIC 协议并不是与 TLS 分层，而是 QUIC 内部包含了 TLS，它在自己的帧会携带 TLS 里的“记录”，再加上 QUIC 使用的是 TLS/1.3，因此仅需 1 个 RTT 就可以「同时」完成建立连接与密钥协商，如下图：
甚至，在第二次连接的时候，应用数据包可以和 QUIC 握手信息（连接信息 + TLS 信息）一起发送，达到 0-RTT 的效果。
如下图右边部分，HTTP/3 当会话恢复时，有效负载数据与第一个数据包一起发送，可以做到 0-RTT（下图的右下角）：
3、连接迁移
基于 TCP 传输协议的 HTTP 协议，由于是通过四元组（源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）确定一条 TCP 连接。
那么当移动设备的网络从 4G 切换到 WIFI 时，意味着 IP 地址变化了，那么就必须要断开连接，然后重新建立连接。而建立连接的过程包含 TCP 三次握手和 TLS 四次握手的时延，以及 TCP 慢启动的减速过程，给用户的感觉就是网络突然卡顿了一下，因此连接的迁移成本是很高的。
而 QUIC 协议没有用四元组的方式来“绑定”连接，而是通过连接 ID 来标记通信的两个端点，客户端和服务器可以各自选择一组 ID 来标记自己，因此即使移动设备的网络变化后，导致 IP 地址变化了，只要仍保有上下文信息（比如连接 ID、TLS 密钥等），就可以“无缝”地复用原连接，消除重连的成本，没有丝毫卡顿感，达到了连接迁移的功能。
TCP三次握手四次挥手
TCP 重传、滑动窗口、流量控制、拥塞控制
TCP 实现可靠传输的方式之一，是通过序列号与确认应答。
在 TCP 中，当发送端的数据到达接收主机时，接收端主机会返回一个确认应答消息，表示已收到消息。
超时重传
重传机制的其中一个方式，就是在发送数据时，设定一个定时器，当超过指定的时间后，没有收到对方的 ACK 确认应答报文，就会重发该数据，也就是我们常说的超时重传。
TCP 会在以下两种情况发生超时重传：
● 数据包丢失
● 确认应答丢失
RTT 指的是数据发送时刻到接收到确认的时刻的差值
超时重传时间是以 RTO，RTO略大于RTT
快速重传
TCP 还有另外一种快速重传（Fast Retransmit）机制，它不以时间为驱动，而是以数据驱动重传。
快速重传的工作方式是当收到三个相同的 ACK 报文时，会在定时器过期之前，重传丢失的报文段。
快速重传机制只解决了一个问题，就是超时时间的问题，但是它依然面临着另外一个问题。就是重传的时候，是重传一个，还是重传所有的问题。
SACK 方法
还有一种实现重传机制的方式叫：SACK（ Selective Acknowledgment）， 选择性确认。
这种方式需要在 TCP 头部「选项」字段里加一个 SACK 的东西，它可以将已收到的数据的信息发送给「发送方」，这样发送方就可以知道哪些数据收到了，哪些数据没收到，知道了这些信息，就可以只重传丢失的数据。
Duplicate SACK
Duplicate SACK 又称 D-SACK，其主要使用了 SACK 来告诉「发送方」有哪些数据被重复接收了。
滑动窗口
TCP 是每发送一个数据，都要进行一次确认应答。当上一个数据包收到了应答了， 再发送下一个。
这样的传输方式有一个缺点：数据包的往返时间越长，通信的效率就越低。
为解决这个问题，TCP 引入了窗口这个概念。即使在往返时间较长的情况下，它也不会降低网络通信的效率。
那么有了窗口，就可以指定窗口大小，窗口大小就是指无需等待确认应答，而可以继续发送数据的最大值。
窗口的实现实际上是操作系统开辟的一个缓存空间，发送方主机在等到确认应答返回之前，必须在缓冲区中保留已发送的数据。如果按期收到确认应答，此时数据就可以从缓存区清除。
拥塞窗口 cwnd是发送方维护的一个的状态变量，它会根据网络的拥塞程度动态变化的。
我们在前面提到过发送窗口 swnd 和接收窗口 rwnd 是约等于的关系，那么由于加入了拥塞窗口的概念后，此时发送窗口的值是swnd = min(cwnd, rwnd)，也就是拥塞窗口和接收窗口中的最小值。
拥塞窗口 cwnd 变化的规则：
● 只要网络中没有出现拥塞，cwnd 就会增大；
● 但网络中出现了拥塞，cwnd 就减少；
拥塞控制主要是四个算法：
● 慢启动
● 拥塞避免
● 拥塞发生
● 快速恢复
