TCP/IP 协议：Web 性能优化

好的，以下是提供的文本的详细学习笔记：

TCP/IP 协议介绍

• 在衡量Web页面性能时,"FP(First Paint)"是一个重要的指标，指页面加载到首次绘制的时长
• FP直接影响用户的跳出率，更快的页面响应可以提高PV、参与度和转化率
• 网络加载速度是影响FP指标的重要因素之一
• 欲优化Web页面加载速度，需要对网络有充分的了解
• 网络的理解关键在于对网络协议有深刻的认识，比如HTTP和 WebSocket
• 它们都基于TCP/IP，理解这些原理能优化Web性能，轻松定位Web问题
• TCP/IP的设计还有助于拓宽知识边界，提升对项目的理解和解决问题的能力

TCP/IP 的工作方式

• 主要介绍在Web世界中的TCP/IP是如何工作的
• 文件在网络中通常被拆分为多个数据包传输
• 数据包在传输过程中可能丢失或出错 因此，保证页面文件完整送达至关重要
• 从数据包的角度探讨如何解决这一问题
• 数据包的传输过程分为三个角度
  • 数据包如何送达主机
  • 主机如何将数据包转交给应用
  • 数据如何被完整地送达应用程序

互联网的体系架构

• 互联网是一个由理念和协议组成的体系结构
• 其中协议是众所周知的规则和标准，各方同意使用便能实现无障碍通信

数据包与传输

• 互联网中的数据通过数据包传输
• 大量数据会被拆分成多个小数据包传输，例如音频数据

IP 协议：送达目标主机

• 数据包需要在互联网上按照网际协议(Internet Protocol, IP)标准传输
• 互联网上的设备有唯一的IP地址，类似于家庭的收件地址
• 物流系统通过地址将物品送达目的地
• 访问网站实际上是计算机向另一台计算机请求信息
• 从主机A发送数据包到主机B时
  • 数据包附加主机B的IP地址信息，用于寻址
  • 附加主机A的IP地址，使主机B能回复信息
  • 附加信息会被装进IP头的数据结构中
  • IP头是数据包的开头信息，包含版本、源地址、目标地址、生存时间等信息
• 网络分为三层结构进行理解

数据包的传输过程（主机A到主机B）

• 上层将包含数据包交给网络层
• 网络层将IP头添加到数据包上形成新的IP数据包，并交给底层
• 底层通过物理网络将数据包传输给主机B
• 主机B的网络层拆开IP头信息，并将数据部分交给上层
• 最终带有信息的数据包到达主机B的上层

UDP：送达应用程序

• IP协议是底层协议,只负责传送数据包,但不管交给哪个程序
• 需要开发基于IP之上的应用层协议，如用户数据包协议(UDP)
• UDP中，端口号是最重要的信息
  • 每个想访问网络的程序都需要绑定一个端口号
  • UDP通过端口号发送数据包给指定程序
  • IP通过IP地址发送数据包给指定电脑
• 端口号被装进UDP头，UDP头与原始数据包合并组成新的UDP数据包
• UDP 头包含目的端口和源端口等信息
• 为了支持UDP协议，网络结构扩展为四层，增加了传输层

UDP 数据包传输过程（主机 A 到主机 B）

• 上层数据包交给传输层；
• 传输层在数据包前附加上 UDP 头，组成新的 UDP 数据包，再交给网络层；
• 网络层再将 IP 头附加到数据包上，组成新的 IP 数据包，并交给底层；
• 数据包传输到主机 B 的网络层，拆开 IP 头信息，并将数据部分交给传输层；
• 传输层拆开 UDP 头，根据 UDP 提供的端口号，将数据部分交给上层应用程序；
• 最终数据包传到主机 B 上层应用程序。

UDP 的特点

• UDP 发送数据时，可能因各种因素导致出错
• UDP 可以校验数据是否正确，但对于错误的数据包，UDP 不提供重发机制，只是丢弃
• UDP 也无法知道数据包是否到达目的地
• UDP 不能保证数据可靠性，但传输速度快
• UDP 适用于关注速度、不太严格要求数据完整的领域，如在线视频和互动游戏

TCP：完整送达应用程序

• 浏览器请求或邮件等应用要求可靠传输，如果使用 UDP 会存在问题：
  • 数据包容易丢失
  • 大文件拆分成小数据包，经过不同路由在不同时间到达，UDP 不知道如何组装
• 引入 TCP（传输控制协议），提供面向连接、可靠、基于字节流的传输层通信
• TCP 相对于 UDP 的特点：
  • 提供重传机制处理数据包丢失
  • 引入数据包排序机制，保证乱序数据包能组合成完整文件

TCP 数据包头的特点

• TCP 头包含目标端口和本机端口号，还提供了用于排序的序列号
• 接收端通过序号重排数据包

TCP的数据包传输流程

• 简化四层模型中，通过 TCP 传输的数据包流程与 UDP 流程相似
• 主要差异在于 TCP 通过头部信息保证大数据传输的完整性

完整的 TCP 连接过程

• 包括“建立连接”、“传输数据”和“断开连接”三个阶段
• 建立连接阶段通过“三次握手”在客户端和服务器间建立连接
  • 面向连接意味着数据通信前要先做好两端准备
• 三次握手指的是客户端和服务器共发送三个数据包确认连接
• 数据传输阶段，接收端需要对每个数据包进行确认
  • 接收端收到数据包后，需发送确认数据包给发送端
  • 发送端在规定时间内未收到确认消息，则认为数据包丢失并重发
  • 大文件在传输过程中会被拆分成多个小数据包，到达接收端后按 TCP 头的序号排序，从而保证完整性
• 数据传输完毕后，进入断开连接阶段
• 涉及最后一个“四次挥手”阶段，确保双方都能断开连接
• TCP 为了保证数据传输的可靠性，牺牲了传输速度
  • “三次握手”和“数据包校验机制”等提高了传输过程中的数据包数量

总结

• 互联网中的数据通过数据包传输，传输过程中容易丢失或出错
• IP 负责将数据包送达目的主机
• UDP 负责将数据包送达具体应用
• TCP 保证数据完整传输，其连接分为建立连接、传输数据和断开连接三个阶段
• 了解 TCP 协议是为了全方位了解 HTTP，包括其功能和局限性
• 从而更深刻理解推出 HTTP/2、QUIC 的原因