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从在浏览器中输入网址#xff0c;到屏幕上显示出网页的内容#xff0c;在这个只有几秒钟的过程中#xff0c;很多硬… 文章目录 概述英语缩略语一、Web浏览器二、协议栈、网卡三、集线器、交换机、路由器四、接入网、网络运营商五、防火墙、缓存服务器六、Web服务器总结 概述
从在浏览器中输入网址到屏幕上显示出网页的内容在这个只有几秒钟的过程中很多硬件和软件都在各自的岗位上相互配合完成了一系列的工作。浏览器和Web服务器之间的交互很简单即浏览器向Web服务器发送请求Web服务器根据请求向浏览器发送响应。这个过程所经历的大致环节有Web浏览器——协议栈、网卡——集线器、交换机、路由器——接入网、网络运营商——防火墙、缓存服务器——Web服务器。 英语缩略语
ACKAcknowledge确认。 ADSLAsymmetric Digital Subscriber Line不对称数字用户线。 ARPAddress Resolution Protocol地址解析协议。 ASKAmplitude Shift Keying幅移键控。 ATMAsynchronous Transfer Mode异步传输。 BASBroadband Access Server宽带接入服务器。 BGPBroder Gateway Protocol边界网关协议。 CDSContent Delivery Service内容分发服务。 CRCCyclic Redundancy Check循环冗余校验。 DHCPDynamic Host Configuration Protocol动态主机配置协议。 DLLDynamic Link Library动态链接库。 DNSDomain Name System域名服务系统。 FCSFrame Check Sequence帧校验序列。 FTPFile Transfer Protocol文件传送协议。 FTTHFiber To The Home光纤到户。 HDLCHigh-level Data Link Control高级数据连接控制。 HTMLHyperText Markup Language超文本标记语言。 HTTPHyperText Transfer Protocol超文本传送协议。 IANAInternet Assigned Number Authority互联网编号管理局。 ICMPInternet Control Message Protocol互联网控制消息协议。 IPInternet Protocol互联网协议。 IXInternet eXchange互联网交换中心。 MACMedia Access Control介质访问控制。 MAUMedium Attachment Unit介质连接单元。 MSSMaximum Segment Size最大分段大小。 MTUMaximum Transmission Unit最大传输单元。 MXMail eXchange邮件交换。 NOCNetwork Operation Center网络运行中心。 OLTOptical Line Terminal光线路终端。 ONUOptical Network Unit光网络单元。 PHYPhysical Layer Device物理层装置。 PIDProcess Identifier进程标识符。 POPPoint of Presense接入点。 PPPPoint to Point Protocol点到点协议。 PPPoEPoint to Point Protocol over Ethernet以太网的点对点协议。 PSKPhase Shift Keying相移键控。 QAMQuadrature Amplitude Modulation正交调幅。 RADIUSRemote Authentication Dial-in User Service远程认证拨号用户服务。 RASRemote Access Server远程访问服务器。 Resolver解析器。 SFDStart Frame Delimiter起始帧分界符。 SYNSynchronize同步。 Twisted pair cable双绞线。 TCPTransmission Control Protocol传输控制协议。 UDPUser Datagram Protocol用户数据报协议。 URIUniform Resource Identifier同一资源标识符。 URLUniform Resource Locator统一资源定位符。 一、Web浏览器
URL的元素构成如下。 http: // Web服务器名 / 目录名 / … 文件名 URL的开头表示访问数据源的机制即协议。 双斜杠后面的字符串表示服务器的名称。 服务器名称后面的是数据源的路径名可省略。 浏览器的第一步工作就是对URL进行解析。 对URL进行解析后浏览器确定了Web服务器和文件名接下来就是根据这些信息来生成HTTP请求消息。 一条请求消息中只能写一个URL如果需要获取多个文件必须对每个文件单独发送一条请求。 生成HTTP消息后需要委托操作系统将消息发送给Web服务器因为浏览器本身不具备将消息发送到网络中的功能。在将消息发送给Web服务器时需要查询网址中服务器域名对应的IP地址。 IP地址的网络号和主机号通过子网掩码区分子网掩码为1的部分表示网络号子网掩码为0的部分表示主机号。主机号全为0表示整个子网主机号全为1表示向子网上所有设备发送包即广播。 通过服务器名称查询其IP地址或者根据IP地址查询服务器名称的机制就是DNS。通过DNS查询IP地址的操作称为域名解析负责执行解析操作的是解析器。解析器是一段程序它包含在操作系统的Socket库中。 Socket库是用于调用网络功能的程序组件集合。 向DNS服务器发送消息时也需要知道DNS服务器的IP地址只不过这个IP地址是作为TCP/IP的一个设置项目事先设置好的不需要再去查询。 可以在Windows中自行设置DNS服务器地址如下图所示。 目标服务器的寻找过程如下图所示。 在进行收发数据之前双方需要先建立管道建立管道的关键在于管道两端的数据出入口这些出入口称为套接字。需要先创建套接字然后再将套接字连接起来形成管道。首先服务器一方先创建套接字然后等待客户端向该套接字连接管道当服务器进入等待状态时客户端就可以连接管道了。具体来说客户端也会先创建一个套接字然后从该套接字延伸出管道最后管道连接到服务器端的套接字上。当双方的套接字连接起来之后通信准备就完成了。接下来将数据送入套接字就可以收发数据了收发数据结束之后连接的管道将会被断开。 Socket表示库socket表示程序组件的名称套接字表示管道两端的接口。 应用程序是通过“描述符”这一类似号码牌的东西来识别套接字的。 二、协议栈、网卡
操作系统中的网络控制软件也称协议栈网络硬件也称网卡。 浏览器、邮件等一般应用程序收发数据时用TCPDNS查询等收发较短的控制数据时用UDP。 协议栈是根据套接字中记录的控制信息来工作的。 Windows中可以用netstat命令显示套接字内容如下图所示。 图中的每一行相当于一个套接字当创建套接字时就会在这里增加一行新的控制信息。地址后面的是端口号IP和端口号通过冒号分隔LISTENING表示等待对方连接的状态ESTABLISHED表示完成连接并正在进行数据通信的状态表。0.0.0.0表示通信还没开始IP地址不确定。 显示套接字使用的命令具体解释如下。 netstat -ano netstat 用于显示套接字的内容 a 不仅显示正在通信的套接字还显示包括尚未开始通信等状态的所有套接字 n 显示IP地址和端口号 o 显示使用该套接字的程序PID 浏览器委托协议栈使用TCP协议来收发数据。 创建套接字时首先分配一个套接字所需的内存空间然后向其中写入初始状态。 头部是用来记录和交换控制信息的字段。 TCP头部共占20字节其格式如下所示。
字段名称长度(比特)含义发送方端口号16发送网络包的程序的端口号接收方端口号16网络包的接收方程序的端口号序号(发送数据的顺序编号)32发送方告知接收方该网络包发送的数据相当于所有发送数据的第几个字节ACK号(接收数据的顺序编号)32接收方告知发送方接收方已经收到了所有数据的第几个字节数据偏移量4表示数据部分的起始位置认为表示头部的长度保留6保留现在未使用控制位6URG表示紧急指针字段有效ACK表示接收数据序号字段有效PSH表示通过flush操作发送数据RST强制断开连接用于异常中断的情况SYN发送方和接收方相互确认序号表示连接操作FIN表示断开连接窗口16接收方告知发送方窗口大小(无需等待确认可一起发送的数据量)校验和16用来检查是否出现错误紧急指针16表示应紧急处理的数据位置可选字段可变长度除了上面的固定头部字段之外还可以添加可选字段除了连接操作很少使用该字段
通信操作中使用的控制信息分为两类头部中记录的信息套接字协议栈中的内存空间中记录的信息。 连接操作的第一步是在TCP模块出创建表示连接控制信息的头部。 通过TCP头部中的发送方和接收方端口号可以找到要连接的套接字。 MTU是一个网络包的最大长度以太网中一般为1500字节。 MSS是指除去头部之后一个网络包所能容纳的TCP数据的最大长度。 MTU和MSS的示意图如下。 HTTP请求消息一般不会很长一个网络包就能装下但如果其中要提交表单数据长度就可能超过一个网络包所能容纳的数据量这时发送缓冲区中的数据会被以MSS长度为单位进行拆分拆分出来的每块数据会被放进单独的网络包中。 ACK返回的包号表示该包及之前的包都已经收到。 网络包的结构如下图所示。 IP模块负责添加MAC头部和IP头部MAC头部是以太网用的头部包含MAC地址IP头部是IP用的头部包含IP地址。 IP头部共占20字节其格式如下所示。
字段名称长度(比特)含义版本号4IP协议版本号头部长度4IP头部的长度可选字段会导致头部长度变化所以这里需要指定头部长度服务类型8表示包传输优先级总长度16表示IP消息的总长度ID号16用于识别包的编号一般为包的序列号。如果一个包被IP分片则所有分片都拥有相同的ID标志3该字段有3个比特其中2个比特有效分别代表是否允许分片以及当前包是否为分片包分片偏移量13表示当前包的内容为整个IP 消息的第几个字节开始的内容生存时间(Time to Live,TTL)8表示包的生存时间这是为了避免网络出现回环时一个包永远在网络中打转。每经过一个路由器这个值就会减1减到0时这个包就会被丢弃协议号8表示协议的类型TCP: 06UDP: 11ICMP: 01头部校验和16用于检查错误现在已不使用发送方IP地址32网络包发送方的IP地址接收方IP地址32网络包接收方的IP地址可选字段可变长度除了上面的头部字段之外还可以添加可选字段用于记录其他控制信息但可选字段很少使用
IP地址实际上并不是分配给计算机的而是分配给网卡的因此当计算机上存在多块网卡时每一块网卡都会有自己的IP地址。很多服务器上都会安装多块网卡这时一台计算机就有多个IP地址在填写发送方IP地址时就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块网卡中判断应该使用哪一块网卡来发送这个包也就相当于判断应该把包发往哪个路由器因此只要确定了目标路由器也就确定了应该使用哪块网卡也就确定了发送方的IP地址。 在Windows中显示路由表如下图所示。 网络目标是包要发往的设备地址要向这个地址发包可以将包发给网关(路由器)进行转发。 网络掩码是用来判断IP地址中网络号和主机号分界线的值。 网关在TCP/IP的世界里就是路由器的意思。 接口是发送包的网络接口如果和网关地址相同则表示不通过路由器转发可以直接向目标IP地址发送包。 最后一列是跃点数数越小说明距离越近。 MAC头部共占14字节其格式如下所示。
字段名称长度(比特)含义接收方MAC地址48网络包接收方的MAC 地址在局域网中使用这一地址来传输网络包发送方MAC地址48网络包发送方的MAC 地址接收方通过它来判断是谁发送了这个包以太类型16使用的协议类型。一般在TCP/IP 通信中只使用0800和0806这两种。常见的类型有0000-05DCIEEE 802.30800IP 协议0806ARP 协议86DDIPv6
IP模块根据路由表Gateway栏的内容判断应该把包发送给谁。查询MAC地址需要使用ARP。 网卡的内部结构如下图所示。 网卡的ROM中保存着全世界唯一的MAC地址这是在生产网卡时写入的网卡中保存的MAC地址会由网卡驱动程序读取并分配给MAC模块。 当信号连续为1或连续为0时比特之间的界限就会消失如果将时钟信号叠加进去就可以判断出比特之间的界限了。 不需要重发的数据用UDP发送更高效。 向DNS服务器查询IP地址的时候使用的是UDP协议。TCP之所以复杂就是要管理发送和确认的进度有错误时重发包。 UDP没有TCP的接收确认、窗口等机制因此在收发数据之前也不需要交换控制信息也就是说不需要建立和断开连接的步骤只要在从应用程序获取的数据前面加上UDP头部然后交给IP进行发送就可以了。UDP协议没有其他功能遇到错误或者丢包也一概不管因为UDP只负责单纯地发送包并不像TCP一样会对包的送达状态进行监控所以协议栈也不知道有没有发生错误。这样并不会引发什么问题出错时就收不到来自对方的回复应用程序会注意到这个问题并重新发送一遍数据这样的操作本身并不复杂也并不会增加应用程序的负担。 在无需重发数据或者是重发了也没什么意义的情况下使用UDP发送数据的效率会更高。 UDP头部共占8字节其格式如下所示。
字段名称长度(比特)含义发送方端口号16网络包发送方的端口号接收方端口号16网络包接收方的端口号数据长度16UDP头部后面数据的长度校验和16用于校验错误 三、集线器、交换机、路由器
从计算机发送出来的网络包会通过集线器、交换机、路由器等设备被转发最终到达目的地。 局域网网线使用的是双绞线其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。 产生噪声的原因是网线周围的电磁波当电磁波接触到金属等导体时在其中就会产生电流。如果将信号线缠绕在一起信号线就变成了螺旋形其中两根信号线中产生的噪声电流方向就会相反从而使得噪声电流相互抵消噪声就得到了抑制。 集线器将信号发送给所有连接在它上面的线路即当信号到达集线器后会被广播到整个网络中。由于集线器只是原封不动地将信号广播出去所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真也会原样发送到目的地。出错的包在接收端被丢弃丢弃包并不会影响数据的传输因为丢弃的包不会触发确认响应因此协议栈的TCP模块会检测到丢包并对该包进行重传。 交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡但交换机的工作方式和网卡有一点不同。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。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。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。 交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口其他端口都是空闲的因此交换机可以同时转发多个包。相对地集线器会将输入的信号广播到所有的端口如果同时输入多个信号就会发生碰撞无法同时传输多路信号因此从设备整体的转发能力来看交换机要高于集线器。 网络包经过集线器和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。路由器和交换机是有区别的因为路由器是基于IP设计的而交换机是基于以太网设计的。 路由器的结构如下图所示。 与交换机不同的是路由器的各个端口都具有MAC地址和IP地址。以以太网端口为例路由器的端口具有MAC地址因此它就能够成为以太网的发送方和接收方端口还具有IP 地址从这个意义上来说它和计算机的网卡是一样的。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。 完成包接收操作之后路由器就会丢弃包开头的MAC头部。MAC头部的作用就是将包送达路由器其中的接收方MAC地址就是路由器端口的MAC地址。接下来路由器会根据MAC头部后方的IP头部中的内容进行包的转发操作。 路由表中子网掩码为0.0.0.0的记录表示“默认路由”。 转发的包长度超过了输出端口能传输的最大长度就无法直接发送这个包了。遇到这种情况可以使用IP协议中定义的分片功能对包进行拆分缩短每个包的长度。在分片之前还需要看一下IP头部中的标志字段确认是否可以分片。如果查询标志字段发现不能分片那么就只能丢弃这个包并通过ICMP消息通知发送方。 对包进行拆分的分片过程如下图所示。 路由器判断下一个转发目标的方法如下如果路由表的网关列内容为IP地址则该地址就是下一个转发目标如果路由表的网关列内容为空则IP头部中的接收方IP地址就是下一个转发目标。 路由器也会使用ARP来查询下一个转发目标的MAC地址。 IP路由器负责将包送达通信对象这一整体过程而其中将包传输到下一个路由器的过程则是由以太网交换机来负责的。 四、接入网、网络运营商
家庭和公司的内网是通过接入网连接到网络运营商的接入网需要通过用户名和密码验证用户的身份然后由网络运营商向用户分配公有地址。 互联网的整体架构如下图所示。 ADSL是一种利用架设在电线杆上的金属电话线来进行高速通信的技术它的上行方向用户到互联网和下行方向互联网到用户的通信速率是不对称的。 用户端路由器发出的网络包通过ADSL Modem和电话线到达电话局然后到达ADSL的网络运营商在网络包从用户传输到运营商的过程中会变换几种不同的形态整个过程如下图所示。 ADSL采用的调制方式是振幅调制和相位调制相结合的正交振幅调制方式如下图所示。 将振幅调制和相位调制两种方式组合起来正交振幅调制就可以用一个波表示更多的比特从而提高传输速率。 光纤是由一种双层结构的纤维状透明材质玻璃和塑料构成的通过在里面的纤芯中传导光信号来传输数字信息。ADSL信号是由多个频段的信号组成的比较复杂但光信号却非常简单亮表示1暗表示0。光纤的结构如下图所示。 数字信息并不能一下子变成光信号需要先将数字信息转换成电信号然后再将电信号转换成光信号。电信号用1表示高电压用0表示低电压将电信号输入LED、激光二极管等光源后这些光源就会根据信号电压的变化发光高电压发光亮低电压发光暗。光信号在光纤中传导之后就可以通过光纤到达接收端接收端的光敏元件可以根据光的亮度产生不同的电压。当光信号照射到上面时光亮的时候就产生高电压光暗的时候就产生低电压这样就将光信号转换成了电信号。 光通信原理如下图所示。 用户发送的网络包会通过ADSL和FTTH等接入网到达运营商的BAS可将BAS理解为一种进化型的路由器。 PPPoE是将PPP消息装入以太网包进行传输的方式。PPPoE包格式如下图所示。 BAS在收到用户路由器发送的网络包之后会去掉MAC头部和PPPoE头部然后用隧道机制将包发送给网络运营商的路由器。隧道机制类似于套接字之间建立TCP连接。 互联网内部如下图所示。 ADSL、FTTH等接入网是与用户签约的运营商设备相连的这些设备称为POP互联网的入口就位于这里。网络包通过接入网之后到达运营商POP的路由器。 POP中包括各种类型的路由器路由器的基本工作方式是相同的但根据其角色分成了不同的类型。 NOC是运营商的核心设备从POP传来的网络包都会集中到这里并从这里被转发到离目的地更近的POP或者是转发到其他的运营商。可将NOC简单理解为规模扩大后的POP。 互联网内部使用BGP机制在运营商之间交换路由信息。 互联网交换中心IX是一个中心设备通过连接到中心设备的方式来减少线路数量如下图所示。 可以看到有了IX后能够使得线路数量大幅减少。 五、防火墙、缓存服务器
防火墙只允许发往指定服务器的指定应用程序的网络包通过从而屏蔽其他不允许通过的包可以降低相应的风险。 包过滤方式的防火墙可根据接收方IP地址、发送方IP地址、接收方端口号、发送方端口号、控制位等信息来判断是否允许某个包通过。 防火墙可以根据包的起点和终点来判断是否允许其通过但仅凭起点和终点并不能筛选出所有有风险的包。如果包中含有引起服务器宕机的特定数据防火墙也无法发现于是包就被放行了当包到达服务器时就会引发服务器宕机。只有检查包的内容才能识别这种风险因此防火墙对这种情况无能为力。修复服务器Bug防止宕机或者在防火墙之外部署用来检查包的内容并阻止有害包的设备或软件。 当服务器的访问量上升时增加服务器线路的带宽是有效的但并不是网络变快了就可以解决所有的问题。使用多台服务器来分担负载减少每台服务器的访问量是比较有效的。 使用负载均衡器分配访问的示例如下图所示。 缓存服务器是一台通过代理机制对数据进行缓存的服务器代理介于服务器和客户端之间具有对服务器访问进行中转的功能。当进行中转时它可以将服务器返回的数据保存在磁盘中并可以代替服务器将磁盘中的数据返回给客户端。 部署在客户端的代理是正向代理部署在服务器端的代理是反向代理。透明代理放在请求消息从浏览器传输到服务器的路径中当消息经过时进行拦截然后再转发给服务器。 六、Web服务器
服务器将接收到的电信号还原为数字信息的过程如下图所示。 根据信号还原数字信息如下图所示。 网卡的MAC模块将网络包从信号还原为数字信息校验FCS并存入缓冲区。 网卡驱动会根据MAC头部判断协议类型并将包交给相应的协议栈。 协议栈的IP模块会检查IP头部判断是不是发给自己的判断网络包是否经过分片将包转交给TCP模块或UDP模块。 收到数据包时TCP模块会根据收到的包的发送方IP地址、发送方端口号、接收方IP地址、接收方端口号找到相对应的套接字将数据块拼合起来并保存在接收缓冲区中向客户端返回ACK。 服务器返回响应消息的主要类型如下所示。 总结
对本文内容的总结如下图所示。 本文参考书目 网络是怎样连接的/(日)户根勤著周自恒译–北京人民邮电出版社2017.1
