开篇词 | 一次搞定计算机网络，高效修炼程序员内功

你好，发现求知的乐趣，我是你的老朋友林䭽。

第一次和大家见面，是 2020 年 9 月，我在拉勾教育平台推出的《重学操作系统》专栏，并且收到了一致好评。通过留言区、社群和大家交流后发现，很多同学对网路这块知识比较匮乏，形不成体系化概念。

于是我就萌生了再出一门面向程序员的基础课程——《计算机网络》的想法，带你用 300 分钟系统地建立计算机网络相关知识体系，内容可以覆盖大厂架构师岗位面试以及实际工作中所需的网络知识。

为什么要学习计算机网络

记得我还在阿里工作的时候，午餐期间和几个面试官聊起了上午发生的一起事故。因为 TCP 队头阻塞，没有预备方案，导致分布式集群中部分服务发生延迟，最后有一个系统雪崩。于是大家就开始罗列自己遇到的各种网络问题，比如：

• 有的遇到 DDoS

• 有的遇到 DNS 劫持

• 有的遇到跨机房通信问题

• ……

既然网络可以作为面试官们的饭后谈资，那么在面试中肯定也经常被问到，说实话，我自己作为面试官，也很喜欢考察候选人关于网络的问题。

原因很简单，网络是一种工作技能，我需要通过几个网络知识的问答，确认求职者未来是否会给我带来很大“麻烦”。而据我观察，大部分求职者都不能游刃有余地应对：

• 很多候选人在回答“TCP 为什么要 3 次握手”这样简单的问题时，就像背经文一样，没有自己的理解；

• 当面对“HTTPS 协议的 TTFB 传输时间”这类需要将 TCP 的原理和 HTTPS 结合起来思考的问题，就更加束手无策。

此外，工作当中也经常要用到计算机网络的知识，而且一旦用错就容易造成灾难性的后果，给公司直接带来经济损失。

但实际情况是，很多程序员对网络相关的知识一知半解，不足以应对日常的工作需求。我自己做团队 Leader 时，就深有体会：

• 团队里多数成员遇到网络故障（如 DNS 故障）时，由于没有系统性地学习过网络相关的知识，对Linux 下，诸如 nslookup、telnet、lsof、netstat 等网络相关的指令一知半解，导致不知道如何定位问题；

• 很多人使用 TCP 连接时，只考虑收发数据，不能考虑到队头阻塞、多路复用等问题，导致经常出现系统负载不高，但是吞吐量很低的情况。

看到上面这些场景，我相信大部分同学定会感同身受。作为过来人，我可以负责任地说：一名程序员，无论是应对日常开发、日常排查，还是解决突发的网络问题（网络调试、网络优化）都离不开计算机网络。而要想成为优秀的工程师、架构师，朝着更高阶、更高薪的岗位去晋升，补足编程必备基础知识——计算机网络是绕不过去的一关。

对程序员来说，计算机网络解决的是常识问题，有了这些常识，你才能更好地利用工具解决工作中的问题。比如用 telnet 调试远程服务、用 Whireshark 抓包定位网络故障；再比如把 ulimit 设置成多少？Dubbo 异步单一连接扛不住了该怎么办？用 HTTP 协议的 Keep-Alive 维持心跳可不可行？等等。

在工作中，当你想快速进入一个领域开发程序，马上就会面临诸如：我用哪个协议？用哪个网络框架？如果计算机网络知识不扎实，很容易选错；另外，你也没有办法优化参数，或者当你承接了系统优化的工作时，由于计网知识不扎实，会陷入无穷无尽的学习。比如今天碰到 TCP 队头阻塞，明天碰到滑动窗口，后天碰到 ARP 和路由算法。

其实计网不是难，而是知识点太多！系统性地学习计网需要花很多时间，直接看面试题的解答又不能理解其精髓。 因此，很多概念往往需要反反复复学习。这就导致你时常陷入一个时间黑洞，重复学习却仍然不会解决工作中遇到的常见问题和应对面试。

所以我觉得，你确实有必要拿出一小部分时间，补足计算机网络这块知识。

我是如何设计这门课程的

萌生了设计一门网络的课程后，我又花了大量时间去研究目前市场上相关的学习资料，大致可以总结为四类：

• 第一类是大学课程和经典教材，优势是全面，缺点是 4/5 的内容不会直接在工作和面试中使用。因此你们都不愿意花时间。

• 第二类是面经类资料（帖子、博文），对于基础薄弱的人来说，东一榔头、西一棒槌地自学，很难形成知识体系，在工作和面试时无法应对自如。

• 第三类是专业图书，由于网络相关的知识非常多而繁杂，相应的专业书籍数量非常多而且体量大，对网络初学者和应对面试者来说并不友好。

• 最后一类便是付费类在线课程，基本上也是内容覆盖面较广，不够聚焦。

显然，这些浅尝辄止的工具类资料只能辅助你做日常知识积累，并不能让你在工作中出类拔萃、在面试过程中脱颖而出。

随着和你们的交流越来越多，我渐渐发现，对于一些“有技术追求”的开发人员来说，他们会更关注底层原理，而网络便是编程必备的底层基础知识。

因此我想专门为程序员设计一门课程，从基础结构、工作原理、应用场景三个维度，帮你系统性地梳理和讲解计算机网络知识，学完之后，足以应对互联网大厂研发岗位“计网”相关的面试题目，解决日常工作场景中遇到的网络问题。专栏所讲知识覆盖了大学内容的 1/5，但是工作、面试只需要用这 1/5 就能很出彩。为了方便你理解，我整理了一份计算机网络知识地图，如下图所示：

下面我会从以上三个维度逐一和你说叨说叨。

第一个维度：网络的基础结构

这块内容是为了带你了解计算机网络的生态和基础设施。我会和你讨论日常生活和工作中常见的东西，比如路由器、交换机、终端、基站等，介绍它们背后隐含的网络，比如公司网络、家庭网络、网络边界等，以及组织它们工作的网络协议栈，TCP/UDP/IP 等。

你可能会说：老师你讲的这些东西，只有后端面试才会用到，我是前端工程师，平时只用 HTTP 协议就够了。说到这，我想和你分享一个曾经发生在我团队里的故事。

8 年前我负责过一个首页日 PV 在百万级别的电商类网站。团队里有一个前端工程师，看到首页有 100 多个卡片，突发奇想地做前端组件化，本来是想解决组件和服务间依赖的问题，让每个卡片自己发请求到服务端。由于上线比较晚，代码 Review 的时候并没有发现，结果变更提交到了线上。

可想而知，当天半夜，睡梦中的我被电话吵醒了，客服说：“服务器挂了。”

这是什么原因导致的呢？要知道每个卡片单独发请求，我们每次打开网站首页，都会发送上百个请求到服务端。这位前端同学的处理方式，直接把服务器的请求数量提升到亿级别，相当于做了一次压力测试和人肉 DDoS。

有同学说，不知者无罪，毕竟 HTTP 协议里没有讲“不能发送这么多请求”。可是，网络是有吞吐量限制的，这是一个常识问题。所谓常识，就是作为工程师本应掌握的知识。

听完这个故事，服务端同学可能很开心，暗自窃喜：“我们服务端，肯定不会犯这种常识性错误。”

那我只能再次用事实“说话”了。原来团队里有一个服务端同学，负责维护一个中间层。请求到达中间层，还需要去其他内部服务请求数据，然后组装统一返回。结果中间层很不稳定，经常出现延迟很高，而且内存使用很高的情况。

我 DUMP 了一下内存，发现大量连接对象。经过排查，是因为接收每个请求，系统都会建立很多个到其他服务的连接。在网络波动期，连接持续积压，导致频繁创建 Socket 文件，最终超过操作系统的限制崩溃。

你可能会说，这是一个技术问题，可以用多路复用、长连接、队列等方式解决。但是抛开这些专业的网络 + IO 技术问题，这是不是一个常识问题呢？答案当然是。因为网络连接是有成本的，而且网络是不稳定的。不稳定的情况下，连接数应当有所限制。

第二个维度：工作原理

这块内容将介绍网络的工作原理，里面会涉及一些算法问题，比如滑动窗口、路由和寻址。还会涉及细节问题，比如讲解一些封包格式，但更多的是让你理解网络的工作原理，比如多路复用、缓存设计、Socket、I/O 模型等。

有同学说，网络库一大堆，用就好了，还有必要理解原理吗？是啊，年轻的“萌新”可能都有这个想法。

记得在前两年，团队里有个同学发布了一个数据量千万级资源仓库，用 RPC 公布了一个开放服务给大家用。本地集群压测报告 QPS 3000，于是这位同学找领导汇报，领导也很高兴。

服务上线之前，幸好有另一位工程师对这个 3000 QPS 的设计很感兴趣。自己又写了一个压测程序，远程调用测试集群压测，结果在 1000 QPS 就打挂了。

这是怎么回事呢？因为 3000 的 QPS 是在最邻近的网络节点，用少量连接测试得到的结果。1000 QPS 则是模拟了一个延迟较高的网络，用较高的并发数连接测试的结果。

所以你凭直觉说，哪份测试报告更加靠谱？当然第二份报告更有意义，网络是一个不稳定的环境，服务端随时面临大量的并发连接。大家都使用网络库，但是如何根据自己的业务场景、网络特性、I/O 特性、计算资源特性，优化网络，这就需要你了解网络的工作原理了。

第三个维度：应用场景

我相信这部分的意义并不需要我过多强调，这些就是你日常工作需要且每天都在用的东西，只不过你平时用得并不深，但是我要在课程中带你深挖一下这块内容。比如：

• HTTPS 协议握手的过程？

• RPC 是如何工作的？

• IM 系统是如何工作的？

• 抓包用什么工具？

• 要注意什么安全攻防？

• 网络出了问题怎么排查？

这部分的意义反而是最容易理解的，所以我就不再赘述了。

课程设置

我设计这门课的目的，是帮助你系统地解决计算机网络相关的面试问题，每个模块对应一个热门的面试方向，每一讲都会以高频面试题为引，介绍这个方向上涉及的重点内容，引出很多大家在工作中关心的问题和技术难点。深度不超过工程师必备的范畴，但是也不低于阿里、腾讯等一线大厂专家研发岗级别的面试要求。

基于以上思路，我把课程分为 5 个模块，共计 29 讲。为了方便你理解，我绘制了计算机网络的知识体系图：

模块一：互联网和传输层协议

介绍互联网的体系和整体框架，参与的硬件设备，以及它们的作用。还会介绍传输层协议 TCP 和 UDP，重点讨论它们的工作原理、算法和优化策略。这部分知识是计算机网络的基础，也最能体现网络设计的精髓。

模块二：网络层协议

围绕局域网和 IP 协议展开，包括 ARP、IPv4、IPv6、NAT 等基本概念，探讨 IPv6 的工作原理，以及 IPv6 和 IPv4 的兼容策略。IP 协议几乎是网络层的唯一协议，是大厂面试最为热门的内容之一。模块一和模块二属于基础篇，是计算机网络最底层的基础知识。

模块三：网络编程

围绕 Socket 讨论网络编程，介绍各种网络 I/O 模型和编程方式的优缺点，并以 RPC 框架设计为题去落地学到的这些知识和实现。讨论在不同的并发量、针对不同服务特性选择不同的 I/O 模型，调整 TCP 关联的参数，等等，进而帮助你学习如何优化自己系统的网络。这部分内容会为企业带来实际价值，因此面试官会重点提问。

模块四：Web 技术

讨论平时使用最多且最重要的应用层协议——HTTP 协议（包括 HTTP 2.0），并扩大讨论范围到 Web 技术生态，比如从 DNS 看缓存、从 CDN 看负载均衡、从 HTTP 协议看开发规范、从流媒体技术看协议选择，以及从爬虫技术看网络安全。

模块五：网络安全

讨论网络安全技术，一部分是基础设施，比如证书、加解密、公私钥体系、信任链等；另一部分是具体的攻击手段，比如 DDoS、XSS、SQL 注入、ARP 攻击、中间人攻击等，以及它们的防御手段。安全是所有互联网公司的高压线，学完这块内容能够帮助你屏蔽掉一些高危操作，在工作中避免出现安全问题。

讲师寄语

现在技术迭代很快，而计算机网络相关的知识能帮助你更快适应新技术。很多同学时常感叹“怎么又有新技术了？现有的技术还没学明白呢”，出现这类困扰的根本原因是你的基础知识不牢固。

俗话说，练武不练功，到老一场空。计算机领域则不同，如果你的基础知识不扎实，学习速度就会跟不上新知识的出现速度，很快被行业淘汰。但对于计算机基础好的同学来说，新技术的出现是为了用更简单的技术解决更复杂的问题。这也是我开发《重学操作系统》和《计算机网络通关 29 讲》课程的最大初衷，让程序员不苦恼于频繁迭代的技术，抓住源头，认清本质。

学习计算机网络实际上是加强对未来的适应，有利于你扩宽自己的应用开发的面。而不是每当一个新技术出现，对你来说都是一个全新的技术。

发现求知的乐趣，我是林䭽。下一讲，我想和你聊聊程序员如何打牢基础。