网络通信中的几种握手，甩出这张脑图，都懂了！

前言

看了本《网络是怎样连接的》与两本HTTP相关的专栏。

避免看了即忘，就画了一张XMind图：

值得深入的问题太多了，今儿就先来讲讲：Web中的几种“握手”

1. 不止一种握手

在早期的网络传输中，也就存在TCP协议需要“握手”的过程，但早期的协议有一个缺陷：通信只能由客户端发起，做不到服务器主动向客户端推送信息。

于是WebSocket 协议在 2008 年诞生，2011 年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。

而随着SSL/TLS的完善，存在已久的安全版网络协议：HTTPS也是迸发式发展。

最后前端领域的协议握手便成了三分天下：

1. TCP三次握手，归HTTP。
2. TLS握手，归HTTPS
3. WebSocket握手，基于TCP协议，都能用。

2. TCP三次握手的终极意义

在我之前的文章：《「真香警告」重学 TCP/IP 协议 与三次握手 》

也详细的讲述过TCP三次握手，但那时我未明确意识到其深刻含义。

就和大家一样，只在面试前会记得，过后即忘。

直到我看到《网络是怎样连接的》中的一段话：

在实际的通信中，序号并不是从 1 开始的，而是需要用随机数计算出一个初始值，这是因为 如果序号都从 1 开始，通信过程就会非常容易预测，有人会利用这一点来发动攻击。

但是如果初始值是随机的，那么对方就搞不清楚序号到底是从 多少开始计算的，因此需要在开始收发数据之前将初始值告知通信对象。

你品，你细品。三次握手不就是相互试探暗号，来确定是不是对的人吗？

2.1 知识补充：一个网络包的最大长度

计算每个网络包能容纳的数据长度，协议栈会根据一个叫作 MTU的参数来进行判断。

MTU表示一个网络包的最大长度，在以太网中一般是1500字节

MTU是包含头部的总长度，因此需要从MTU减去头部的长度，然后得到的长度就是一个网络包中所能容纳的最大数据长度，这一长度叫作MSS。

由上两图可知，MSS值是1460（1500-40）字节，其中：

1. TCP固定头部20字节。
2. IP固定头部20字节。
3. TCP头部最长可以达到60字节。

3. TLS握手：HTTPS的核心

HTTPS 其实是一个“非常简单”的协议，RFC 文档很小，只有短短的 7 页，里面规定了新的协议名“https”，默认端口号 443，至于其他的什么请求 - 应答模式、报文结构、请求方法、URI、头字段、连接管理等等都完全沿用 HTTP，没有任何新的东西。---- 《透视HTTP协议》

感兴趣的可以到这里看看：链接：https://tools.ietf.org/html/rfc2818

3.1 TLS/SSL究竟是啥？

很多人看到TLS/SSL这对词就开始蒙圈了。实际上，这两个东西是一个玩意儿：

1999 年改名：SSL 3 === TLS 1.0

目前运用最广泛的是TLS 1.2:

TLS 由记录协议、握手协议、警告协议、变更密码规范协议、扩展协议等几个子协议组成，综合使用了对称加密、非对称加密、身份认证等许多密码学前沿技术。

由于TLS/SSL 协议位于应用层和传输层 TCP 协议之间。TLS 粗略的划分又可以分为 2 层：

1. 靠近应用层的握手协议 TLS Handshaking Protocols

2. 靠近 TCP 的记录层协议 TLS Record Protocol

这个篇幅展开来写就太多了，我们先关心下TLS握手吧。

3.2 TLS握手详解

TLS 握手何时发生？：

1. 每当用户通过HTTPS导航到网站并且浏览器首先开始查询网站的原始服务器时，就会进行TLS握手。
2. 每当其他任何通信使用HTTPS（包括API调用和HTTPS查询上的 DNS）时，也会发生TLS握手。
3. 通过 TCP 握手打开 TCP 连接后，会发生TLS 握手。

TLS 握手期间会发生什么？

在TLS握手过程中，客户端和服务器将共同执行以下操作：

• 指定将使用的 TLS 版本（TLS 1.0、1.2、1.3 等）
• 确定将使用哪些加密套件。
• 通过服务器的公钥和 SSL 证书颁发机构的数字签名来验证服务器的身份
• 握手完成后，生成会话密钥以使用对称加密

加密套件决定握手方式：：

摘自：《HTTPS 篇之 SSL 握手过程详解》^[1]

在TLS中有两种主要的握手类型：一种基于RSA，一种基于Diffie-Hellman。这两种握手类型的主要区别在于主秘钥交换和认证上。

	秘钥交换	身份验证
RSA 握手	RSA	RSA
DH 握手	DH	RSA/DSA

主流的握手类型，基本都是基于RSA，所以以下讲解都基于RSA版握手。

整个流程如下图所示：具体流程描述：

1. 客户端hello：客户端通过向服务器发送“问候”消息来发起握手。该消息将包括客户端支持的 TLS 版本，支持的加密套件以及称为“客户端随机”的随机字节字符串。
2. 服务器hello：为回复客户端hello消息，服务器发送一条消息，其中包含服务器的SSL证书，服务器选择的加密套件和“服务器随机数”，即服务器生成的另一个随机字节串。
3. 客户端发送公钥加密的预主密钥。
4. 服务器用自己的私钥解密加密的预主密钥。

• 客户端finished：客户端发送“完成”消息，该消息已用会话密钥加密。
• 服务器finished：服务器发送一条用会话密钥加密的“完成”消息。

握手完成，后续通过主密钥加解密。

只有加密套件，讲解的话需要有抓包基础。改天，改天我一定讲。。。

4. WebSocket握手

WebSocket协议实现起来相对简单。它使用HTTP协议进行初始握手。成功握手之后，就建立了连接，WebSocket基本上使用原始 TCP 读取/写入数据。

《图解HTTP》一书中的图讲的比较清楚：

具体步骤表现是：

1. 客户端请求：

GET /chat HTTP/1.1Host: server.example.comUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchatSec-WebSocket-Version: 13Origin: http://example.com

1. 服务端响应：

HTTP/1.1 101Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=Sec-WebSocket-Protocol: chat

4.1 Websocket全双工通信

Websocket协议解决了服务器与客户端全双工通信的问题。

那什么是单工、半双工、全双工通信？

类型	能力
单工	信息单向传送
半双工	信息能双向传送，但不能同时双向传送
全双工	信息能够同时双向传送

4.2 Websocket和Socket区别

可以把WebSocket想象成HTTP应用层)，HTTP和Socket什么关系，WebSocket和Socket就是什么关系。

1. WebSocket与HTTP的关系

相同点

1. 都是一样基于TCP的，都是可靠性传输协议。
2. 都是应用层协议。

不同点

1. WebSocket是双向通信协议，模拟Socket协议，可以双向发送或接受信息。HTTP是单向的。
2. WebSocket是需要握手进行建立连接的。

2. Socket是什么？

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。

在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

4.3 扩展知识：Socket.IO的七层降级

在Golang、Java Spring等框架中，websocket都有一套实现API。

Socket.IO 由两部分组成：

1. 一个服务端用于集成 (或挂载) 到 Node.JS HTTP 服务器：socket.io
2. 一个加载到浏览器中的客户端：socket.io-client

很多人以为Socket.IO只是WebSocket和XHR长轮询。

实际上，Socket.io有很多传输机制:

1. WebSockets2. FlashSocket3. XHR长轮询4. XHR部分流：multipart/form-data5. XHR轮询6. JSONP轮询7. iframe

得益于这么多种传输机制，Socket.io兼容性完全不用担心。

5. 扩展：HTTPS 与HTTP 核心区别

上面讲到 Socket是什么？，有一点我忘了讲：

HTTPS 与HTTP 核心区别在于两点：

1. 把 HTTP 下层的传输协议由 TCP/IP 换成了 SSL/TLS
2. 收发报文不再使用 Socket API，而是调用专门的安全接口。

具体区别：

1. HTTPS协议需要到CA申请证书，一般免费证书很少，需要交费。
2. HTTP是超文本传输协议，信息是明文传输，HTTPS 则是具有安全性的 ssl 加密传输协议。
3. HTTP和https使用的是完全不同的连接方式，用的端口也不一样,前者是80,后者是443。
4. HTTP的连接很简单,是无状态的。HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，比HTTP协议安全。

后记及引用

本篇引用了大量资料和专栏：

1.《HTTPS 篇之 SSL 握手过程详解》^[2] >
2.《网络是怎样连接的》--户根勤 >
3.[《图解 HTTP》--上野宣 ]
4.[《透视 HTTP 协议》--罗剑峰]
5.《What Happens in a TLS Handshake?》^[3] >

1. 《How to Use Websockets in Golang: Best Tools and Step-by-Step Guide》^[4]

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