基础-键入网址到网页显示

用户在浏览器中输入www.google.com到网页显示期间，都发生了哪些事？

1. 整体流程

1.1 简化版本

  1. 解析URL，生成发送给web服务器的请求信息；
    • 确定Web服务器
    • 确定请求的文件名
    • 生成HTTP请求信息
  2. DNS解析
    • 浏览器将域名换为IP地址
    • 查询顺序：浏览器缓存-系统本地缓存-递归DNS服务器-根域名服务器-权威DNS服务器
  3. 建立TCP链接
    • 通过三次握手与服务器建立TCP链接
    • 客户端发送SYN包
    • 服务器回复SYN-ACK
    • 客户端确认ACK
  4. 发送HTTP请求
    • 浏览器构造HTTP请求，通过TCP连接发送到服务器
  5. 服务器处理请求
    • 服务器根据请求执行操作，生成HTTP响应头
  6. 浏览器渲染页面

1.2 详细版本

  1. URL解析
    • 浏览器解析URL，确定协议，域名，路径等信息；
    • 如果没有指定路径则访问默认文件；
    • 生成HTTP请求报文；
  2. DNS域名解析
    • 浏览器检查本地缓存-操作系统缓存-hosts文件-本地DNS服务器递归查询
    • 本地DNS递归查询：根DNS-顶级域DNS-权威域DNS
    • 最终获得目标服务器的IP地址
  3. 协议栈与TCP连接
    • 通过socket委托协议栈工作
    • TCP三次握手建立连接：SYN - SYN+ACK - ACK
    • 根据MSS拆分HTTP数据，添加TCP头部（源端口，目的端口，序列号，确认号）
  4. IP封装
    • IP模块添加头部（源IP，目标IP，协议号06表示TCP）
  5. MAC封装与ARP查询
    • 数据链路层添加MAC头部
      • 源MAC地址：本机网卡地址
      • 目标MAC地址：通过ARP协议查询下一跳（网关或目标主机）的MAC地址；
    • ARP缓存MAC地址
  6. 物理层传输（网卡）
    • 在包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校验序列；
    • 将数字信号转换为电信号，通过网线发送出去；
  7. 交换机和路由器
    • 交换机：根据MAC地址表转发到相应端口，若无记录则广播
    • 路由器：
      • 检查目标IP，匹配路由表决定下一跳
      • 替换源/目标MAC地址；
      • 通过ARP查询下一跳MAC地址；
    • 经过多次到达目标服务器；
  8. 服务器处理并响应
    • 服务器逐层解包：校验MAC - 匹配IP - TCP端口 - HTTP进程
    • 生成HTTP响应，反向封装TCP，IP，MAC头
    • 通过相同路径返回客户端；
  9. 浏览器渲染
    • 客户端接收响应后解包，交给浏览器渲染；
    • 完成四次挥手断开TCP连接；

2. URL

URL包含哪些内容：

1
http://server.com/dir1/file1.html

http: + // + web服务器 + 数据源的路径名

  • 当没有路径名时，代表访问根目录下事先设置的默认文件；

3. DNS

DNS服务器，用来保存web服务器域名与IP的对应关系，从而可以通过域名解析出服务器IP；

域名的层级关系：

  • 根DNS服务器（.）
  • 顶级域DNS服务器（.com）
  • 权威DNS服务器（server.com）

3.1 域名解析流程

域名解析查询顺序为：浏览器本地缓存-操作系统缓存-hosts文件-本地DNS服务器（递归查询）

递归查询流程：

  1. 客户端发送一个DNS请求，询问ww.server.com的IP，并发给本地DNS服务器；（怎么发送给本地DNS服务器？？？）
  2. 本地域名服务器收到客户端请求后，先在本地缓存里的表格中找，如果找到则直接返回IP地址；
  3. 如果在本地缓存没有找到，则本地DNS服务器询问根域名服务器；
  4. 根DNS服务器收到本地DNS请求后，返回.com顶级域名服务器地址；
  5. 本地DNS收到顶级域名服务器地址后，接着向顶级域名服务器发起请求，询问IP地址；
  6. 顶级域名服务器返回www.server.com区域的权威DNS服务器地址；
  7. 本地DNS收到权威DNS服务器地址后，接着向权威域名服务器发起请求；
  8. 权威域名服务器查询后，将对应的IP地址返回给本地DNS；
  9. 本地DNS再将IP地址返回给客户端，客户端与目标建立连接；

4. 协议栈

通过DNS获取到IP后，把HTTP的传输工作交给操作系统中的协议栈；应用程序（浏览器）通过调用socket库，委托协议栈工作；

  • 协议栈上半部分：负责收发数据的TCP和UDP协议，这两个传输层协议会接受应用层的委托执行收发数据的操作；
  • 协议栈下半部分：使用IP协议控制网络包的收发操作；IP中还包括ICMP协议和ARP协议；
    • ICMP协议：用于告知网络包传输过程中产生的错误以及控制信息；
    • ARP协议：用于根据IP地址查询相应的以太网MAC地址；

5. TCP

HTTP基于TCP协议传输；TCP协议用于确定端口号；

5.1 TCP阶段流程

  1. 三次握手建立连接
    • SYN - SYN+ACK - ACK
    • 三次握手的目的时保证双方都有发送和接受数据的能力，以及避免历史连接；
  2. TCP分割数据
    • 如果HTTP请求消息长度超过MSS的长度，TCP需要把HTTP数据拆分成一块块的数据发送；
    • MTU：一个网络包的最大长度，以太网中一般为1500字节；IP头部+TCP头部+数据；
    • MSS：除去IP头部和TCP头部之后，一个网络包能容纳的TCP数据的最大长度；
  3. 在每个拆分的数据加上TCP头信息，生成TCP报文，交给IP模块发送数据；

6. IP

IP协议中有源地址IP和目标地址IP；

  • 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；

IP阶段的主要任务是确定源地址IP，生成IP报文；

当一台设备配备多个网卡时，系统需要决定使用哪个网卡的IP地址作为数据包的源IP地址，这个过程的核心是路由表查询；

6.1 路由表作用

路由表是操作系统中存储的规则表，用于决定数据包应该通过哪个网卡发送以及下一跳的地址（gateway），通过查询路由表，系统确定出口网卡以及源IP地址：

  • 出口网卡：使用哪个网卡发送数据包；
  • 源IP地址：自动选择该网卡对应的IP地址；

6.2 源IP地址的选择流程

  1. 提取目标地址
  2. 逐条匹配路由表，按照路由表优先级（子网掩码越长，优先级越高）依次匹配：
    • 将目标IP与每条路由的子网掩码做按位与运算，得到网络地址；
    • 检查结果是否与路由条目的Destination字段匹配；
  3. 确定出口网卡和源IP
    • 若匹配成功，则使用该路由对应的网卡发送数据包；
    • 该网卡的IP地址自动成为数据包的源IP地址；

7. MAC

生成IP头部之后，接下来网络包在IP头部的前面加上MAC头部；

MAC头部是以太网使用的头部，包含接收方和发送方的MAC地址；

7.1 如何确定发送方和接收方MAC地址？

发送方：MAC地址是在网卡生产时写入到ROM里的，只需要将这个值读取出来写入到MAC头部中即可；

接收方：通过ARP协议获取

  • ARP协议会在以太网中以广播的形式，对以太网中所有设备询问目标IP地址对应的MAC地址；
  • 上述是在同一个子网下，如果不在同一个子网下，如何确定目标IP地址的MAC地址呢？？？

8. 网卡

将数字信号转换为电信号，从而在网线上传输；

控制网卡的是网卡驱动程序，网卡驱动程序获取到网络包后，会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校验序列；

  • 起始帧分界符：用来表示包起始位置的标记；
  • 帧校验序列（FCS）：用来检查包传输过程中是否有损坏；

9. 交换机与路由器

9.1 交换机

  1. 电信号到达网线接口，交换机里的模块进行接收，接着交换机里的模块将电信号转换为数字信号；
  2. 通过包末尾的FCS校验错误，如果没问题则放到缓冲区；
  3. 将包放入缓冲区后，查询这个包的接收方MAC地址是否已经在MAC地址表中有记录；
    • 交换机的MAC地址表包含两个信息：
      • 设备的MAC地址；
      • 该设备连接在交换机的哪个端口上；
  4. 交换机根据MAC地址表来判断应该把包转发到哪里，即交换机根据MAC地址表查找MAC地址，如果MAC地址匹配，则将信号发送到对应的端口。
  5. 如果在MAC地址表中没有找到指定的MAC地址，则将包转发到除了源端口之外的所有端口上；

9.2 交换机和路由器区别

  • 路由器是基于IP设计的，路由器的各个端口都有MAC地址和IP地址；
  • 交换机是基于以太网设计的，交换机的端口不具有MAC地址；

9.3 路由器基本流程

  1. 电信号到达网线接口部分，路由器中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；
  2. 如果没有问题则检查MAC头部中的接受发MAC地址，判断包是不是发给自己的，如果是就放到缓存区中，如果不是就丢弃；
  3. 完成包的接受后，将包的MAC头部丢弃，根据IP头部中的内容进行包的转发操作；
    • 查询路由表判断转发的目标
      • 如果在路由表中找到相匹配的路由，则将匹配项作为转发目标；
      • 如果没有找到相匹配的路由，则选择默认路由作为转发目标；
  4. 根据路由表的网关列判断对方的地址
    • 如果网关是一个IP地址，则这个地址就是我们要转发到的目标地址，即还未到达终点，需要继续路由转发；
    • 如果网关为空，则IP头部中的接受方IP地址就是要转发到的目标地址，即找到了IP包头里的目标地址，即已经到达了终点；
  5. 知道对方IP之后通过ARP协议根据IP地址查询MAC地址，并将查询到的结果作为接收方的MAC地址；
  6. 接着将包转换成电信号通过端口发送出去，发送出去的包会通过交换机到达下一个路由器；

10. 服务器和客户端

  1. 数据到达服务器后，查看MAC头部信息是否和服务器自己的MAC地址符合，如果符合就将包收起来，并去掉MAC头部；
  2. 查看数据包中的IP头，IP地址符合，则根据IP头中的协议项判断出上层是TCP协议，并去掉IP头部；
  3. 查看TCP头部，查看序列号判断是都是需要的，如果是就放入缓存中，并返回一个ACK，如果不是则丢弃；
  4. TCP中有端口号，HTTP的服务器正在监听这个端口号，服务器将包发送给HTTP进程；
  5. 服务器的HTTP进程查看请求，并将网页封装在HTTP响应报文中；
  6. HTTP响应报文加上TCP，IP，MAC头部后，从网卡发送出去，经过交换机，路由器将数据转发给客户端；
  7. 客户端收到数据后，经过上述相同的过程取出HTTP响应报文，交给浏览器渲染页面；
  8. 客户端向服务器发起TCP四次回收，双方断开连接；
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作者
ZhangHangming
发布于
2025年5月24日
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