计算机网络：从输入网址到网页显示发生了什么？

Posted 2021-09-04 A.iguodala

文章目录

• 1. URL 解析
• 2. DNS 解析
• 3. TCP 连接
• 4. 发送HTTPS请求
• 5. IP 首部和 MAC 首部
• 6. 网卡
• 7. 交换机
• 8. 路由器
• 9. 目标服务器

1. URL 解析

首先浏览器做的第一步操作就是对URL进行解析。

以 https://blog.csdn.net/weixin_48922154 为例：

• 先通过该URL检查是否是合法的URL。通过URL检测使用的协议，请求的服务器以及请求的文件。
• 再检查缓存，如果有该内容的浏览器缓存，那么就不需要请求服务器而直接显示页面。
• 否则，就通过解析这些信息之后，使用这些信息生成HTTP请求消息，包括：
  • 请求行：请求的方法，请求URL和HTTP版本号。
  • 首部：
    • 请求首部：例如 ① Accept：用户代理可处理的媒体类型；② User-Agent：客户端程序信息等。
    • 通用首部：例如 ① Cache-Control：控制缓存的行为；Date：创建报文的日期时间等。
    • 实体首部：例如 ① Content-Encoding：实体主体适用的编码方式；② Content-Length：实体主体的大小（(单位:字节)。
  • 之后是一个空行，再之后就是请求的具体请求体数据。

2. DNS 解析

通过浏览器解析URL并生成HTTP报文之后，需要通过委托操作系统将消息发送给相应Web服务器。

DNS解析就是将服务器的域名转化为IP地址的过程，因为所有节点都通过IP进行唯一标识，而IP记忆困难所以使用域名进行转化。

DNS在应用层中已经详细阐述了，具体内容在：

DNS解析过程

为什么DNS使用UDP？：

• 因为TCP握手挥手耗费大量性能，例如查询冷门的网站，则从查询根域名系统到顶级域名系统，再到权威域名系统，每次都要进行一次握手和挥手操作。
• 但是当DNS查询数据包很大的时候，会使用TCP传输。

3. TCP 连接

• 在传输层中，如果HTTP消息也就是TCP的数据字段大于MSS报文最大长度，则会将数据切分成MSS长度的若干段。再给每一段封装上TCP首部。形成一个传输层报文段。

• 通过三次握手和目标进程建立连接之后，将报文段交给网络层进行传输。详细步骤在另一篇博客。

TCP 协议具体内容

4. 发送HTTPS请求

如果选择的协议类型是HTTPS而不是HTTP，那么在建立连接之后会自动跳转到HTTPS网站。

HTTPS是将HTTP和TCP层中间加上了一层TLS安全传输层，每次HTTP报文的发送和接受，会经过安全传输层的加密和解密，以此来达到安全的目的。

因为HTTP和HTTPS的端口不同，所以服务端和客户端之间会建立新的TCP连接，连接建立好之后进行安全传输的TLS四次握手。握手成功之后就可以进行安全的传输。详细内容在下面这两篇博客。

HTTPS
网络安全

5. IP 首部和 MAC 首部

首先需要将传输层传递来的报文段再封装为数据报，加上IP首部字段，

• 如IP版本，首部长度，协议类型是TCP；
• TCP协议已经将报文段切分成MSS大小，所以不需要进行IP分片，所以不需要填入标识符、标志字段和片偏移字段；
• 之后添加上源IP地址和目标IP地址。
  • 如果本机有多个网卡，那应该选用哪个？

这时候可以使用路由表来查询：使用route -n命令得到路由表

通过目的地址（Destination） 和子网掩码（Genmask） 进行与操作得到地址和目标地址匹配，如果能匹配的上，则使用该IP，如果不能匹配则使用0.0.0.0的默认路由。

• 如此操作就生成了IP数据报并传递给链路层。

链路层将IP数据报封装为链路层帧，加上MAC首部：

• MAC首部主要包括发送方MAC地址，以及接收方MAC地址和协议字段。
• 在TCP/IP通信中，协议类型只有：
  • IP协议：0800
  • ARP协议：0806
• 发送方MAC地址是网卡生产的时候写入到ROM里面的，直接读出填入MAC源地址字段即可。
• 对于接收方MAC地址则是通过以下方式获取：
  • 先向高速缓存中查询是否有目标IP地址对应的MAC地址，如果没有。
  • 向同一链路广播一个ARP请求包，内容包括本机的IP地址以及目标主机的IP地址。
  • 如果某个路由器有去往该IP的路由规则，或者某台主机IP地址就是目标IP地址，就会发回一个ARP响应包，内容是需要发送的MAC地址。
  • 源主机收到响应包会将MAC地址写入接受方MAC地址字段，并将该MAC地址存入高速缓存。

由次MAC首部也添加完毕，形成一个链路层帧。可以通过物理层设备进行发送。

6. 网卡

真正执行发送任务的还是通过硬件网卡，而操作网卡的是网卡控制器，操作网卡控制器的又是网卡驱动程序（IO设备层次）。

网卡驱动获取到链路层帧之后，将其复制到网卡内的缓冲区，并在开头加上报文头和起始帧分隔符，尾部加上FCS帧校验序列。

都完成之后，再将数据包转换成电信号，通过网线传输出去。

7. 交换机

电信号到达网线接口，由交换机进行接收，并且把其中的电信号转换成数字信号。再通过校验检测是否出错，如果没错，则放入缓冲区。

另外由于交换机自学习的特性，它会将传送来的接口以及MAC地址做一个记录在MAC地址表中。

再通过查询MAC地址表，将收到的分组传递到应该去的接口上。

详细可以看

交换机详细内容

8. 路由器

网络包经过交换机到达路由器，并在此被转发到下一个路由器或者目标设备。路由器是基于IP进行转发器的，是第三层网络交换设备。

路由器检查校验和以及接受方MAC地址和自己是否相同，匹配之后，会将MAC首部去除，从IP首部中提取目标IP地址，通过路由表查询下一条输出链路端口，并把网络包从该端口转发。通过RIP，OSPF以及BGP协议，数据报被路由器一步步转发到目标地址。

9. 目标服务器

当数据报达到目标=服务器之后，服务器就会对数据包进行一层一层的扒皮：

• 检查MAC首部中目的MAC地址和自己的MAC地址是否匹配。然后去除MAC首部。
• 检查IP地址是否匹配然后去除IP首部。
• 检查TCP首部序号是否对应等，再通过TCP首部的端口号，分发到对应进程。
• HTTP进程收到请求之后，将需要返回的数据封装在响应报文中，并返回，返回的过程就是上述过程的逆向，一层一层封装首部，从网卡发出，交到交换机手上并发给路由器，由路由器转发对目标地址对应的交换机，再由交换机转发到客户端。
• 客户端收到响应报文后，浏览器渲染页面。