【计算机网络—概述】浏览器

与昊

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。这里将以探索之旅的形式,带领大家探索这一系列工作中的每一个环节。

首先要探索的是浏览器,我们将介绍浏览器内部的工作原理。

生成HTTP请求消息

从输入网址开始

网址,准确来说应该叫URL,就是以http: //开头的那一串字符。实际上除了“http: ”,网址还可以以其他一些文字开头,例如“ftp:”“file:”“mailto:”等。

之所以有各种各样的URL,是因为尽管我们通常是使用浏览器来访问Web服务器的,但实际上浏览器并不只有这一个功能,它也可以用来在FTP服务器上下载和上传文件,同时也具备电子邮件客户端的功能。可以说,浏览器是一个具备多种客户端功能的综合性客户端软件,因此它需要一些东西来判断应该使用其中哪种功能来访问相应的数据,而各种不同的URL就是用来干这个的,比如访问Web服务器时用“http: ”,而访问FTP服务器时用“ftp:”。

解析URL

浏览器要做的第一步工作就是对URL进行解析,从而生成发送给Web服务器的请求消息。URL的格式会随着协议的不同而不同,下面我们以访问Web服务器的情况为例来进行讲解。

根据HTTP的规格,URL包含下图(a)中的这几种元素。当对URL进行解析时,首先需要按照下图(a)的格式将其中的各个元素拆分出来,例如下图(b)中的URL会拆分成下图(c)的样子。然后,通过拆分出来的这些元素,我们就能够明白URL代表的含义。例如,我们来看拆分结果下图(c),其中包含Web服务器名称www.lab.glasscom.com,以及文件的路径名/dir1/file1.html,因此我们就能够明白,下图(b)中的URL表示要访问www.lab.glasscom.com这个Web服务器上路径名为/dir/file1.html的文件。

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HTTP的基本思路

解析完URL之后,我们就知道应该要访问的目标在哪里了。接下来,浏览器会使用HTTP协议来访问Web服务器。

HTTP协议定义了客户端和服务器之间交互的消息内容和步骤,其基本思路非常简单。首先,客户端会向服务器发送请求消息。请求消息中包含的内容是“对什么”和“进行怎样的操作”两个部分。其中相当于“对什么”的部分称为URI。一般来说,URI的内容是一个存放网页数据的文件名或者是一个CGI程序的文件名,例如“/dir1/file1.html”“/dir1/program1.cgi”等。

“进行怎样的操作”的部分称为方法。方法表示需要让Web服务器完成怎样的工作,其中典型的例子包括读取URI表示的数据、将客户端输入的数据发送给URI表示的程序等。下图列举了主要的方法,通过这张图大家应该能够理解通过方法可以执行怎样的操作。

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HTTP消息中还有一些用来表示附加信息的头字段。客户端向Web服务器发送数据时,会先发送头字段,然后再发送数据。

收到请求消息之后,Web服务器会对其中的内容进行解析,通过URI和方法来判断“对什么”“进行怎样的操作”,并根据这些要求来完成自己的工作,然后将结果存放在响应消息中。在响应消息的开头有一个状态码,它用来表示操作的执行结果是成功还是发生了错误。状态码后面就是头字段和网页数据。响应消息会被发送回客户端,客户端收到之后,浏览器会从消息中读出所需的数据并显示在屏幕上。到这里,HTTP的整个工作就完成了。

生成HTTP请求

对URL进行解析之后,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请求消息了。实际上,HTTP消息在格式上是有严格规定的,因此浏览器会按照规定的格式来生成请求消息。

首先,请求消息的第一行称为请求行。这里的重点是最开头的方法,方法可以告诉Web服务器它应该进行怎样的操作。写好方法之后,加一个空格,然后写URI。URI部分的格式一般是文件和程序的路径名。第一行的末尾需要写上HTTP的版本号,这是为了表示该消息是基于哪个版本的HTTP规格编写的。到此为止,第一行就结束了。

第二行开始为消息头。尽管通过第一行我们就可以大致理解请求的内容,但有些情况下还需要一些额外的详细信息,而消息头的功能就是用来存放这些信息。消息头的规格中定义了很多项目,如日期、客户端支持的数据类型、语言、压缩格式、客户端和服务器的软件名称和版本、数据有效期和最后更新时间等。

写完消息头之后,还需要添加一个完全没有内容的空行,然后写上需要发送的数据。这一部分称为消息体,也就是消息的主体。消息体结束之后,整个消息也就结束了。

接收HTTP响应

当我们将上述请求消息发送出去之后,Web服务器会返回响应消息。响应消息的格式以及基本思路和请求消息是相同的,差别只在第一行上。在响应消息中,第一行的内容为状态码和响应短语,用来表示请求的执行结果是成功还是出错。状态码和响应短语表示的内容一致,但它们的用途不同。状态码是一个数字,它主要用来向程序告知执行的结果;相对地,响应短语则是一段文字,用来向人们告知执行的结果。

返回响应消息之后,浏览器会将数据提取出来并显示在屏幕上,我们就能够看到网页的样子了。

向DNS服务器查询Web服务器的IP地址

IP地址

生成HTTP消息之后,接下来我们需要委托操作系统将消息发送给Web服务器。尽管浏览器能够解析网址并生成HTTP消息,但它本身并不具备将消息发送到网络中的功能,因此这一功能需要委托操作系统来实现。在进行这一操作时,我们还有一个工作需要完成,那就是查询网址中服务器域名对应的IP地址。在委托操作系统发送消息时,必须要提供的不是通信对象的域名,而是它的IP地址。因此,在生成HTTP消息之后,下一个步骤就是根据域名查询IP地址。

互联网和公司内部的局域网都是基于TCP/IP的思路来设计的。TCP/IP的结构如图所示,就是由一些小的子网,通过路由器连接起来组成一个大的网络。这里的子网可以理解为用集线器连接起来的几台计算机,我们将它看作一个单位,称为子网。将子网通过路由器连接起来,就形成了一个网络。

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在网络中,所有的设备都会被分配一个地址。这个地址就相当于现实中某条路上的“××号××室”。其中“号”对应的号码是分配给整个子网的,而“室”对应的号码是分配给子网中的计算机的,这就是网络中的地址。“号”对应的号码称为网络号,“室”对应的号码称为主机号,这个地址的整体称为IP地址。

通过IP地址我们可以判断出访问对象服务器的位置,从而将消息发送到服务器。消息传送的具体过程我们先简单了解一下。发送者发出的消息首先经过子网中的集线器,转发到距离发送者最近的路由器上。接下来,路由器会根据消息的目的地判断下一个路由器的位置,然后将消息发送到下一个路由器,即消息再次经过子网内的集线器被转发到下一个路由器。前面的过程不断重复,最终消息就被传送到了目的地。

如图所示,实际的IP地址是一串32比特的数字,按照8比特(1字节)为一组分成4组,分别用十进制表示然后再用圆点隔开。这就是我们平常经常见到的IP地址格式,但仅凭这一串数字我们无法区分哪部分是网络号,哪部分是主机号。在组建网络时,用户可以自行决定它们之间的分配关系,因此,我们还需要另外的附加信息来表示IP地址的内部结构。

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这一附加信息称为子网掩码。子网掩码是一串与IP地址长度相同的32比特数字,其左边一半都是1,右边一半都是0。其中,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。

顺带一提,主机号部分的比特全部为0或者全部为1时代表两种特殊的含义。主机号部分全部为0代表整个子网而不是子网中的某台设备。此外,主机号部分全部为1代表向子网上所有设备发送包,即广播。

通过解析器向DNS服务器发出查询

查询IP地址的方法非常简单,只要询问最近的DNS服务器“www.lab.glasscom.com的IP地址是什么”就可以了。向DNS服务器发出查询,也就是向DNS服务器发送查询消息,并接收服务器返回的响应消息。换句话说,对于DNS服务器,我们的计算机上一定有相应的DNS客户端,而相当于DNS客户端的部分称为DNS解析器,或者简称解析器。

解析器实际上是一段程序,它包含在操作系统的Socket库中,在介绍解析器之前,我们先来简单了解一下Socket库。库到底是什么东西呢?库就是一堆通用程序组件的集合,其他的应用程序都需要使用其中的组件。Socket库也是一种库,其中包含的程序组件可以让其他的应用程序调用操作系统的网络功能,而解析器就是这个库中的其中一种程序组件。

解析器的用法非常简单。Socket库中的程序都是标准组件,只要从应用程序中进行调用就可以了。具体来说,在编写浏览器等应用程序的时候,只要像下图这样写上解析器的程序名称“gethostbyname”以及Web服务器的域名“www.lab.glasscom.com”就可以了,这样就完成了对解析器的调用。

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解析器的内部原理

下面来看一看当应用程序调用解析器时,解析器内部是怎样工作的。网络应用程序(在我们的场景中就是指浏览器)调用解析器时,程序的控制流程就会转移到解析器的内部。

当控制流程转移到解析器后,解析器会生成要发送给DNS服务器的查询消息。这个过程与浏览器生成要发送给Web服务器的HTTP请求消息的过程类似,解析器会根据DNS的规格,生成一条表示“请告诉我www.lab.glasscom.com的IP地址”的数据,并将它发送给DNS服务器。发送消息这个操作并不是由解析器自身来执行,而是要委托给操作系统内部的协议栈来执行。这是因为和浏览器一样,解析器本身也不具备使用网络收发数据的功能。解析器调用协议栈后,协议栈会执行发送消息的操作,然后通过网卡将消息发送给DNS服务器。

当DNS服务器收到查询消息后,它会根据消息中的查询内容进行查询。总之,如果要访问的Web服务器已经在DNS服务器上注册,那么这条记录就能够被找到,然后其IP地址会被写入响应消息。接下来,消息经过网络到达客户端,再经过协议栈被传递给解析器,然后解析器读取出消息取出IP地址,并将IP地址传递给应用程序。

顺带一提,向DNS服务器发送消息时,我们当然也需要知道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,不需要再去查询了。

DNS服务器的大接力

DNS服务器的基本工作

前文介绍了解析器与DNS服务器之间的交互过程,下面来了解一下DNS服务器的工作。DNS服务器的基本工作就是接收来自客户端的查询消息,然后根据消息的内容返回响应。

其中,来自客户端的查询消息包含以下3种信息。

  • 域名:服务器、邮件服务器(邮件地址中@后面的部分)的名称。
  • Class:在最早设计DNS方案时,DNS在互联网以外的其他网络中的应用也被考虑到了,而Class就是用来识别网络的信息。不过,如今除了互联网并没有其他的网络了,因此Class的值永远是代表互联网的IN。
  • 记录类型:表示域名对应何种类型的记录。例如,当类型为A时,表示域名对应的是IP地址;当类型为MX时,表示域名对应的是邮件服务器。对于不同的记录类型,服务器向客户端返回的信息也会不同。

DNS服务器上事先保存有前面这3种信息对应的记录数据,如图所示。DNS服务器就是根据这些记录查找符合查询请求的内容并对客户端作出响应的。

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域名的层次结构

在前面的介绍中,我们假设要查询的信息已经保存在DNS服务器内部的记录中了。如果是在像公司内部网络这样Web和邮件服务器数量有限的环境中,所有的信息都可以保存在一台DNS服务器中。然而,互联网中存在着不计其数的服务器,将这些服务器的信息全部保存在一台DNS服务器中是不可能的,因此一定会出现在DNS服务器中找不到要查询的信息的情况。下面来看一看此时DNS服务器是如何工作的。

首先,DNS服务器中的所有信息都是按照域名以分层次的结构来保存的。层次结构这个词听起来可能有点不容易懂,其实就类似于公司中的事业集团、部门、科室这样的结构。层次结构能够帮助我们更好地管理大量的信息。

DNS中的域名都是用句点来分隔的,比如www.lab.glasscom.com,这里的句点代表了不同层次之间的界限,就相当于公司里面的组织结构不用部、科之类的名称来划分,只是用句点来分隔而已。在域名中,越靠右的位置表示其层级越高。其中,相当于一个层级的部分称为域。因此,com域的下一层是glasscom域,再下一层是lab域,再下面才是www这个名字。

这种具有层次结构的域名信息会注册到DNS服务器中,而每个域都是作为一个整体来处理的。换句话说就是,一个域的信息是作为一个整体存放在DNS服务器中的,不能将一个域拆开来存放在多台DNS服务器中。不过,DNS服务器和域之间的关系也并不总是一对一的,一台DNS服务器中也可以存放多个域的信息。

寻找相应的DNS服务器并获取IP地址

下面再来看一看如何找到DNS服务器中存放的信息。这里的关键在于如何找到我们要访问的Web服务器的信息归哪一台DNS服务器管。

互联网中有数万台DNS服务器,肯定不能一台一台挨个去找。我们可以采用下面的办法。首先,将负责管理下级域的DNS服务器的IP地址注册到它们的上级DNS服务器中,然后上级DNS服务器的IP地址再注册到更上一级的DNS服务器中,以此类推。也就是说,负责管理lab.glasscom.com这个域的DNS服务器的IP地址需要注册到glasscom.com域的DNS服务器中,而glasscom.com域的DNS服务器的IP地址又需要注册到com域的DNS服务器中。这样,我们就可以通过上级DNS服务器查询出下级DNS服务器的IP地址,也就可以向下级DNS服务器发送查询请求了。

在互联网中,最上面的一级域,称为根域。根域没有自己的名字,因此在一般书写域名时经常被省略,如果要明确表示根域,应该像www.lab.glasscom.com.这样在域名的最后再加上一个句点,而这个最后的句点就代表根域。不过,一般都不写最后那个句点,因此根域的存在往往被忽略,但根域毕竟是真实存在的,根域的DNS服务器中保管着com等的DNS服务器的信息。由于上级DNS服务器保管着所有下级DNS服务器的信息,所以我们可以从根域开始一路往下顺藤摸瓜找到任意一个域的DNS服务器。

除此之外还需要完成另一项工作,那就是将根域的DNS服务器信息保存在互联网中所有的DNS服务器中。这样一来,任何DNS服务器就都可以找到并访问根域DNS服务器了。因此,客户端只要能够找到任意一台DNS服务器,就可以通过它找到根域DNS服务器,然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标DNS服务器。

假设我们要查询www.lab.glasscom.com这台Web服务器的ip地址,大概流程如下图:

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通过缓存加快DNS服务器的响应

在真实的互联网中,一台DNS服务器可以管理多个域的信息,因此并不是像上图这样每个域都有一台自己的DNS服务器。图中,每一个域旁边都写着一台DNS服务器,但现实中上级域和下级域有可能共享同一台DNS服务器。在这种情况下,访问上级DNS服务器时就可以向下跳过一级DNS服务器,直接返回再下一级DNS服务器的相关信息。

此外,有时候并不需要从最上级的根域开始查找,因为DNS服务器有一个缓存功能,可以记住之前查询过的域名。如果要查询的域名和相关信息已经在缓存中,那么就可以直接返回响应,接下来的查询可以从缓存的位置开始向下进行。相比每次都从根域找起来说,缓存可以减少查询所需的时间。并且,当要查询的域名不存在时,“不存在”这一响应结果也会被缓存。这样,当下次查询这个不存在的域名时,也可以快速响应。

这个缓存机制中有一点需要注意,那就是信息被缓存后,原本的注册信息可能会发生改变,这时缓存中的信息就有可能是不正确的。因此,DNS服务器中保存的信息都设置有一个有效期,当缓存中的信息超过有效期后,数据就会从缓存中删除。而且,在对查询进行响应时,DNS服务器也会告知客户端这一响应的结果是来自缓存中还是来自负责管理该域名的DNS服务器。

委托协议栈发送消息

数据收发操作概览

知道了IP地址之后,就可以委托操作系统内部的协议栈向这个目标IP地址,也就是我们要访问的Web服务器发送消息了。和向DNS服务器查询IP地址的操作一样,这里也需要使用Socket库中的程序组件。

使用Socket库来收发数据的操作过程如图所示。简单来说,收发数据的两台计算机之间连接了一条数据通道,数据沿着这条通道流动,最终到达目的地。我们可以把数据通道想象成一条管道,将数据从一端送入管道,数据就会到达管道的另一端然后被取出。

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光从图上来看,这条管道好像一开始就有,实际上并不是这样,在进行收发数据操作之前,双方需要先建立起这条管道才行。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。我们需要先创建套接字,然后再将套接字连接起来形成管道。

具体来说,收发数据的操作分为若干个阶段,可以大致总结为以下4个。

  1. 创建套接字(创建套接字阶段)
  2. 将管道连接到服务器端的套接字上(连接阶段)
  3. 收发数据(通信阶段)
  4. 断开管道并删除套接字(断开阶段)

这些操作都是通过调用Socket库中的程序组件来执行的,但这些数据通信用的程序组件其实仅仅充当了一个桥梁的角色,并不执行任何实质性的操作,应用程序的委托内容最终会被原原本本地传递给协议栈。

创建套接字阶段

客户端创建套接字的操作非常简单,只要调用Socket库中的socket函数就可以了。套接字创建完成后,协议栈会返回一个描述符,应用程序会将收到的描述符存放在内存中。通过使用这个描述符,协议栈就能够判断出我们希望用哪一个套接字来连接或者收发数据了。

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连接阶段

接下来,我们需要委托协议栈将客户端创建的套接字与服务器那边的套接字连接起来。应用程序通过调用Socket库中的名为connect函数来完成这一操作。当调用connect时,需要指定描述符、服务器IP地址和端口号这3个参数。

只要知道了IP地址,我们就可以识别出网络上的某台计算机。但是,连接操作的对象是某个具体的套接字,因此必须要识别到具体的套接字才行,而端口号就是这样一种方式。当同时指定IP地址和端口号时,就可以明确识别出某台具体的计算机上的某个具体的套接字。如果说描述符是用来在一台计算机内部识别套接字的机制,那么端口号就是用来让通信的另一方能够识别出套接字的机制。

既然需要通过端口号来确定连接对象的套接字,那么到底应该使用几号端口呢?网址中好像并没有端口号,也不能像IP地址一样去问DNS服务器。其实,服务器上所使用的端口号是根据应用的种类事先规定好的,仅此而已。

既然确定连接对象的套接字需要使用端口号,那么服务器也得知道客户端的套接字号码才行吧,这个问题是怎么解决的呢?事情是这样的,首先,客户端在创建套接字时,协议栈会为这个套接字随便分配一个端口号。接下来,当协议栈执行连接操作时,会将这个随便分配的端口号通知给服务器。

通信阶段

当套接字连接起来之后,剩下的事情就简单了。只要将数据送入套接字,数据就会被发送到对方的套接字中。当然,应用程序无法直接控制套接字,因此还是要通过Socket库委托协议栈来完成这个操作。这个操作需要使用write这个函数,具体过程如下。

首先,应用程序需要在内存中准备好要发送的数据。根据用户输入的网址生成的HTTP请求消息就是我们要发送的数据。接下来,当调用write时,需要指定描述符和发送数据,然后协议栈就会将数据发送到服务器。

接下来,服务器执行接收操作,解析收到的数据内容并执行相应的操作,向客户端返回响应消息。

当消息返回后,需要执行的是接收消息的操作。接收消息的操作是通过Socket库中的read函数委托协议栈来完成的。调用read时需要指定用于存放接收到的响应消息的内存地址,这一内存地址称为接收缓冲区。于是,当服务器返回响应消息时,read就会负责将接收到的响应消息存放到接收缓冲区中。

断开阶段

当浏览器收到数据之后,收发数据的过程就结束了。接下来,我们需要调用Socket库的close函数进入断开阶段。最终,连接在套接字之间的管道会被断开,套接字本身也会被删除。

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IT民工,主要从事web方向,喜欢研究技术和投资之道

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