键入网址到网页显示，期间发生了什么？

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- - 键入网址到网页显示，期间发生了什么？
  - - 1. HTTP
    - 2. 真实地址查询 —— DNS
    - 3. 指南好帮手 —— 协议栈
    - 4. 可靠传输 —— TCP
    - 5. 远程定位 —— IP
    - 6. 两点传输 —— MAC
    - 7. 出口 —— 网卡
    - 8. 送别者 —— 交换机
    - 9. 出境大门 —— 路由器
    - 10. 互相扒皮 —— 服务器与客户端

键入网址到网页显示，期间发生了什么？

总结：
浏览器解析URL地址，根据解析得到的Web服务器和请求文件路径创建HTTP请求消息 
=> 委托操作系统将该消息发送给Web服务器，故需要Web服务器的IP地址 
=> 根据Web服务器的域名通过DNS查询Web服务器的IP地址
=> 查询到IP地址后，浏览器调用socket库委托协议栈 
=> TCP报文（三报文握手，与服务器建立连接） 
=> IP报文 => MAC报文 => 网卡（将数字信号转换为电信号在网线上传输）
=> 交换机 => (离开子网)路由器...... 
=> 路由器 => 交换机 
=> 服务器 => 服务器进行扒皮 => 将请求的网页封装在HTTP响应报文
=> 加TCP、IP、MAC头部
=> 网卡 => 交换机 => 路由器....
=> 路由器 => 交换机 
=> 客户端 => 客户端扒皮 => 给浏览器渲染页面 
=> 客户端四报文挥手 => 连接断开

1. HTTP

浏览器第一步工作是解析URL

在这里插入图片描述

当蓝色部分URL元素省略，请求的是根目录下事先设置的默认文件

第二步：生产HTTP请求信息

根据web服务器和文件名生成HTTP请求

请添加图片描述

2. 真实地址查询 —— DNS

通过浏览器解析URL并生成请求消息后，委托操作系统将消息发送给Web服务器

发送前，查询服务器域名对应的IP地址，委托OS发送消息必须提供IP地址

DNS服务器： 保存Web服务器域名与IP的对应关系

域名的层级关系

由.分割，www.server.com 越靠右层级越高（其实com后还有一个.，代表根域名）

类似于树状结构

DNS 树状结构

根域的DNS服务器信息保存在互联网的所有DNS服务器中。

因此，客户端只要找到任意一台DNS服务器，就可以通过它找到根域DNS服务器，再一路找到位于下层的某台目标DNS服务器

域名解析的工作流程

在①中，若本地DNS服务器在缓存里找到www.server.com则直接返回其IP地址，否则②

在这里插入图片描述

（指路不带路）

每次解析域名都要经过那么多的步骤？

浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，就去问操作系统，操作系统也会去看自己的缓存，如果有，就直接返回，如果没有，再去 hosts 文件看，也没有，才会去问「本地 DNS 服务器」。

3. 指南好帮手 —— 协议栈

通过DNS获取到IP后，就可以把HTTP的传输工作交给操作系统的协议栈

在这里插入图片描述

上面的部分向下面的部分委托工作

应用程序（浏览器）通过调用socket库，来委托协议栈工作。

协议栈：

上部分：负责收发数据的TCP协议和UDP协议，接收应用层的委托执行收发数据的操作
下部分：IP协议，控制网络包收发操作，将网络包发送给对方
- IP中还包括 ICMP 协议和 ARP协议
  - ICMP：告知网络包传送过程中产生的错误以及各种控制信息
  - ARP：根据IP地址查询相应的以太网MAC地址

IP下面的网卡驱动程序负责控制网卡硬件，而最下面的网卡则负责完成实际的收发操作

数据包看了这份指南表示：“原来我需要那么多大佬的协助啊，那我先去找找 TCP 大佬！”

4. 可靠传输 —— TCP

HTTP基于TCP协议传输

TCP报文头部格式

在这里插入图片描述

源端口号、目的端口号：必不可少，如果没有，数据不知道发送给哪个应用
序号：解决包乱序的问题
确认号：目的是确认发出去对方是否收到，如果没有收到就应该重新发送，直到送达。解决丢包的问题
状态位：
- SYN：发起一个连接
- ACK：回复
- RST：重新连接
- FIN：结束连接
TCP是面向连接的，因此双方要维护连接状态，这些带状态位的包的发送，会引起双方状态变更
窗口大小：
- 流量控制
- 拥塞控制：控制发送的速度

TCP三次握手连接

在这里插入图片描述

客户端、服务端都处于CLOSE状态，先是服务端主动监听某个端口，处于LISTEN状态。 [ 收听状态 ]
客户端向服务端发起连接 SYN=1，seq=x，之后处于SYN-SENT状态 [ 同步已发送状态 ]（SYN报文段不携带数据，但消耗一个序号）
服务端收到SYN后，发送SYN=1，ACK=1(ACK客户端的SYN)，ack=x+1,seq=y，之后服务端处于SYN-RCVD状态 [ 同步收到状态 ]
客户端收到服务端的SYN和ACK后，发送对SYN的确认ACK = 1，seq=x+1，ack=y+1，之后客户端处于ESTABLISHED状态 [ 连接已建立 ]，一发一收
服务端收到ACK的ACK后，处于ESTABLISHED状态，一发一收

服务器端的资源在完成第二次握手时分配，客户端的资源在完成第三次握手时分配

查看TCP的连接状态

Linux： netstat -napt

TCP分割数据

HTTP请求消息较长，超过MSS长度，需要把HTTP的数据拆解成一块块的数据发送

在这里插入图片描述

MTU：网络包的最大长度，以太网中一般为1500字节

MSS：除去IP和TCP头部后，一个网络包所能容纳的TCP数据的最大长度

数据会被以MSS的长度为单位进行拆分，拆分出来的每一块数据都会被放进单独的网络包。在每个被拆分的数据加上TCP头信息，交给IP模块来发送数据

在这里插入图片描述

TCP报文生成

TCP协议里面有两个端口，一个是浏览器监听的端口（随机生成），一个是Web服务器监听的端口（HTTP默认端口号：80，HTTPS默认端口号：443）

双方建立连接后，TCP报文中数据部分存放HTTP头部+数据，TCP报文需交给网络层处理

TCP报文 = TCP头部+HTTP报文

5. 远程定位 —— IP

TCP模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时，都需要委托IP模块将数据封装成网络包发送给通信对象

IP报文头部格式

在这里插入图片描述

源地址IP：客户端输出的IP地址
目标地址IP：通过DNS域名解析得到的Web服务器IP
协议号：HTTP是经过TCP传输，IP包头的协议号填写06（十六进制），表示协议为TCP

假设客户端有多个网卡，就会有多个IP地址，IP头部的源地址选择哪个IP？

在多块网卡中判断应该选择哪块网卡发送包

根据路由表 规则，判断哪一个网卡作为源地址IP

Linux中使用 route -n 查看当前系统的路由表

在这里插入图片描述

假设Web服务器的目标地址是

192.168.10.200

将该目标地址与每条条目的子网掩码进行与运算，一致则匹配成功

注：第三条条目的目标地址和子网掩码都是0.0.0.0，表示默认网关 ，如果其他所有条目都无法匹配，就会自动匹配这一行。并且后续就把包发给路由器，Gateway 即是路由器的 IP 地址。

IP报文 = IP头部+TCP头部+HTTP报文

6. 两点传输 —— MAC

网络包还需要在IP头部前面加上MAC头部

MAC包头格式

MAC头部是以太网使用的头部，包含了接收方和发送方的MAC地址等信息

MAC包头：发送方MAC地址、接收方目标MAC地址、协议类型

在TCP/IP通信里，MAC包头的协议类型只使用：

0800：IP协议
0806：ARP协议

确认发送方和接收方的MAC地址

发送方：网卡生产时写入到ROM，只要将该值读取即可
接收方：只要告诉以太网对方的MAC地址，以太网就会帮我们把包发送过去
- 搞清楚应该把包发给谁，这个只要查一下路由表就知道了。在路由表中找到相匹配的条目，然后把包发给 Gateway 列中的 IP 地址就可以了。

已知接收方的IP地址，获取MAC地址

ARP协议： 广播形式

在这里插入图片描述

OS会把本次查询结果放到 ARP缓存 的内存空间留着以后用

发包时：先查询ARP缓存，如果其中已经保存了对方的MAC地址，就不需要发送ARP查询；若不存在，则发送ARP广播查询

查看ARP缓存内容
Linux: arp -a

MAC报文 = MAC头部 + IP头部 + TCP头部 + HTTP报文

7. 出口 —— 网卡

网络包只是存放在内存中的一串二进制数字信息，没有办法直接发送给对方

将数字信息转换为电信号 ，才能在网线上传输，这才是真正的数据发送过程

负责执行这一操作的是网卡，要控制网卡需要靠网卡驱动程序

网卡驱动获取网络包后，将其复制到网卡内的缓存区中，接着会在其开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧检验序列 在这里插入图片描述

起始帧分界符：表示包起始位置的标记
FCS：检查包传输过程是否有损坏

网卡将包转为电信号，通过网线发送出去

8. 送别者 —— 交换机

交换机：将网络包原样转发到目的地。工作在MAC层，也称为二层网络设备

电信号到达网线接口，交换机里的模块进行接收，交换机里的模块将电信号转换为数字信号

通过包末尾的FCS校验错误，若没问题则放到缓冲区。（这部分操作基本和计算机的网卡相同，但工作方式不同）

计算机网卡 vs. 交换机计算机网卡本身具有MAC地址，并通过核对收到的包的接收方MAC地址判断是不是发给自己，如果不是则丢弃交换机端口不具有MAC地址，不会核对接收方MAC地址，直接接收所有包到缓冲区。将包存入缓冲区后，查询这个包的接收方MAC地址是否已经在MAC地址表有记录

交换机的MAC地址表

设备的MAC地址
该设备连接在交换机的哪个端口

根据MAC地址找到对应端口，将信号发送到相应端口

MAC地址表找不到指定MAC地址？

原因：

具有该地址的设备还没有向交换机发送过包
这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表删除

解决：

交换机将包发送到除了源端口之外的所有端口。相应的接收者才会接收包，其他设备则忽略这个包。发送包后，目标设备返回响应包，交换机就可以将该MAC地址下入MAC地址表，下次可以直接查询

如果接收方MAC地址是一个广播地址，交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口

（MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF IP:255.255.255.255）

数据包通过交换机转发抵达了路由器，准备要离开土生土长的子网了。

9. 出境大门 —— 路由器

网络包经过交换机后，到达路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备（也是通过查表判断包转发的目标）

路由器与交换机的区别

路由器基于IP设计，俗称三层网络设备，路由器的各个端口都有MAC地址和IP地址
交换机基于以太网设计，俗称二层网络设备，交换机的端口不具有MAC地址

路由器基本原理

路由器端口具有MAC地址：能成为以太网的发送方和接收方

路由器端口具有IP地址：和计算机网卡一样

当转发包时，首先路由器端口会接收发给自己的以太网包，然后路由表查询转发目标，再由相应的端口作为发送方将以太网包发送出去。

路由器的包接收

电信号到达网线接口部分，路由器的模块将电信号转换为数字信号，通过包末尾的FCS进行错误校验。

如果没问题则检查MAC头部的接收方MAC地址，如果是发送给自己的包则放到接收缓冲区，否则就丢弃这个包

查询路由表确定输出端口

完成包接收后，路由器去掉包开头的MAC头部

MAC头部的作用就是将包送达路由器，接收方MAC地址就是路由器端口的MAC地址，包到达路由器后，MAC头部的作用完成，丢弃MAC头部
接下来，路由器根据MAC头部后的IP头部进行包转发操作

查询路由表做转发操作（同子网掩码与，看是否与对应条目的目标地址相同），若无匹配条目，则转发给默认路由

在这里插入图片描述