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输入URL按下回车后#xff0c;中间发生了什么
这个问题其实是计算机网络里面很经典的一个问题#xff0c;不能去死机硬背#xff0c;很考察对网络架构和通信原理的理解#xff0c;也是各个互联网大厂喜欢考察的面试题。
一些图片参考了小林的计算机网络面经
从输入…题目
输入URL按下回车后中间发生了什么
这个问题其实是计算机网络里面很经典的一个问题不能去死机硬背很考察对网络架构和通信原理的理解也是各个互联网大厂喜欢考察的面试题。
一些图片参考了小林的计算机网络面经
从输入网址到确定用户其实是无感的因为这个中间事件正常时一秒钟不到。但是在计算机的底层却发生了很多的变化。
因特网的架构是基于TCP/IP的所以我也从TCP/IP去分析这个过程。
整个互联网的拓扑架构数据报离开了本地的中间需要经历多个交换机、路由器。
TCP/IP
首先得回顾一下tcp/ip的架构。每一层的基本协议包括 TCP/IP协议的核心在于网络层和传输层。
分析
URL-IP
输入URL访问南京工程学院发生在应用层是应用层之间的操作。 我们知道路由器转发数据包时根据数据包的目的IP地址来转发的所以需要知道南京工程学院的IP地址这个如何解决呢
依靠了应用层的DNS解析本地电脑会通过DNS解析来将URL转为对应的IP地址。 DNS本质上是一个分布式数据库里面存着一张二维表格域名和IP是一一对应的关系底层用b树索引便于快速检索需要的ip地址。 首先会在本地DNS缓存服务器里面找有没有如果没有就向根域名服务器发送请求。有两种查询方式一种是迭代查询、另一种是递归查询。
拓展DNS请求的过程所用的是UDP协议。
产生请求消息
请求的内容会变为HTTP报文本地向服务器发送的是http报文。 http分为get请求和post请求。
到达传输层
因特网的网络层给上层提供的不可靠的服务所有的压力都给了传输层。 TCP具有流量控制、拥塞控制、滑动窗户。为了保证传输的安全传输之前要建立三次握手结束后需要进行四次挥手。
UDP可以用来广播它是不可靠的。
TCP的报文格式 首先源端口号和目标端口号是不可少的如果没有这两个端口号数据就不知道应该发给哪个应用。
接下来有包的序号这个是为了解决包乱序的问题。
还有应该有的是确认号目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送直到送达这个是为了解决丢包的问题。
接下来还有一些状态位。例如 SYN 是发起一个连接ACK 是回复RST 是重新连接FIN 是结束连接等。TCP 是面向连接的因而双方要维护连接的状态这些带状态位的包的发送会引起双方的状态变更。
还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制通信双方各声明一个窗口缓存大小标识自己当前能够的处理能力别发送的太快撑死我也别发的太慢饿死我。
除了做流量控制以外TCP还会做拥塞控制对于真正的通路堵车不堵车它无能为力唯一能做的就是控制自己也即控制发送的速度。不能改变世界就改变自己嘛。
建立连接进行三次握手: 一开始客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口处于 LISTEN 状态。
然后客户端主动发起连接 SYN之后处于 SYN-SENT 状态。
服务端收到发起的连接返回 SYN并且 ACK 客户端的 SYN之后处于 SYN-RCVD 状态。
客户端收到服务端发送的 SYN 和 ACK 之后发送对 SYN 确认的 ACK之后处于 ESTABLISHED 状态因为它一发一收成功了。
服务端收到 ACK 的 ACK 之后处于 ESTABLISHED 状态因为它也一发一收了。
所以三次握手目的是保证双方都有发送和接收的能力
TCP还会进行数据分割: 如果 HTTP 请求消息比较长超过了 MSS 的长度这时 TCP 就需要把 HTTP 的数据拆解成一块块的数据发送而不是一次性发送所有数据。 MTU一个网络包的最大长度以太网中一般为 1500 字节。 MSS除去 IP 和 TCP 头部之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中。也就是在每个被拆分的数据加上 TCP 头信息然后交给 IP 模块来发送数据 TCP 协议里面会有两个端口一个是浏览器监听的端口通常是随机生成的一个是 Web 服务器监听的端口HTTP 默认端口号是 80 HTTPS 默认端口号是 443。
在双方建立了连接后TCP 报文中的数据部分就是存放 HTTP 头部 数据组装好 TCP 报文之后就需交给下面的网络层处理 报文格式如下:
到达网络层
首先将自己的ip地址封装到数据包里面。
网络层有ARP和ICMP协议。 ICMP 用于告知网络包传送过程中产生的错误以及各种控制信息。 ARP 用于根据 IP 地址查询相应的以太网 MAC 地址
为什么要mac地址
ip地址只能定位就像可以找到你住的小区一样而只有MAC地址才能确定一个人的身份信息。所以到了小区里面就要找到MAC地址这个过程用了ARP协议通过广播的形式找到目标的MAC地址回来时单播的形式。 在后续操作系统会把本次查询结果放到一块叫做 ARP 缓存的内存空间留着以后用不过缓存的时间就几分钟。
现在的报文格式
出口
通过网际接口层数据包内全是一串的二进制数字信息没有办法直接发送给对方因此需要将二进制全部转为电信号才能在网线上传输。 负责这个操作的时网卡。
中间的长途慢慢
交换机
首先电信号到达网线接口交换机里的模块进行接收接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号。
然后通过包末尾的 FCS 校验错误如果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交换机的工作方式和网卡不同。
计算机的网卡本身具有 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的如果不是发给自己的则丢弃相对地交换机的端口不核对接收方 MAC 地址而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此和网卡不同交换机的端口不具有 MAC 地址。
将包存入缓冲区后接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。
交换机的 MAC 地址表主要包含两个信息
一个是设备的 MAC 地址 另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。
举个例子如果收到的包的接收方 MAC 地址为 00-02-B3-1C-9C-F9则与图中表中的第 3 行匹配根据端口列的信息可知这个地址位于 3 号端口上然后就可以通过交换电路将包发送到相应的端口了。
所以交换机根据 MAC 地址表查找 MAC 地址然后将信号发送到相应的端口。
地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包或者这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表中删除了。
这种情况下交换机无法判断应该把包转发到哪个端口只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包。
路由器
网络包经过交换机之后现在到达了路由器并在此被转发到下一个路由器或目标设备。
这一步转发的工作原理和交换机类似也是通过查表判断包转发的目标。
不过在具体的操作过程上路由器和交换机是有区别的。
因为路由器是基于 IP 设计的俗称三层网络设备路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址 而交换机是基于以太网设计的俗称二层网络设备交换机的端口不具有 MAC 地址。
路由表 具体的工作流程根据上图举个例子。
假设地址为 10.10.1.101 的计算机要向地址为 192.168.1.100 的服务器发送一个包这个包先到达图中的路由器。
判断转发目标的第一步就是根据包的接收方 IP 地址查询路由表中的目标地址栏以找到相匹配的记录。
路由匹配和前面讲的一样每个条目的子网掩码和 192.168.1.100 IP 做 与运算后得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配如果匹配就会作为候选转发目标如果不匹配就继续与下个条目进行路由匹配。
如第二条目的子网掩码 255.255.255.0 与 192.168.1.100 IP 做 与运算后得到结果是 192.168.1.0 这与第二条目的目标地址 192.168.1.0 匹配该第二条目记录就会被作为转发目标。
实在找不到匹配路由时就会选择默认路由路由表中子网掩码为 0.0.0.0 的记录表示「默认路由」
到了服务器
开始相互扒皮从发送端开始往下是不断地封装到接收端从下到上不断地扒皮。将所有地全部脱光后只剩下HTTP数据。http携带的get或者post请求再访问服务器上面的资源得到资源后按照上面同样的操作再发给客户端。
最后客户端要离开了向服务器发起了 TCP 四次挥手至此双方的连接就断开了。
