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最近部门组织了一次前端性能优化交流会，大家从输出页面 URL 到最终页面展现内容这个过程提出了许多优化点。但同时发现很多同学对 HTTP 协定层的常识不能串联起来，于是整顿了这篇文章，心愿能够给大家带来一丝灵感。
当咱们在页面上发动一个 AJAX 申请的时候，在网络协议层面都经验了哪些内容？
// 发动申请
fetch('https://baidu.com')
// 协定层 1...
// 协定层 2...
// 协定层 3...
.then(res=>
// 失去后果
console.log(res)
})如上述代码所示，咱们对 baidu.com 发动了一个网络申请，最终在 then 办法中失去了具体的响应内容。
应用 Wireshark 抓包后果如下：
图中能够看到，申请 baidu.com 时，首先通过 TCP 3 次握手建设连贯，而后通过 HTTP 传输内容，最初通过 TCP 4 次挥手断开连接。
实在的过程更加简单，咱们次要剖析以下几点：
-
建设连贯阶段
- DNS 域名解析（应用层）
-
建设 TCP 连贯（传输层）
- 通过 IP 寻址找到指标服务器（网络层）
- 通过 Mac 寻址找到服务器硬件接口（数据链路层）
- 通过网线向服务器硬件接口传输比特信息（物理层）
-
发送数据阶段
- 建设 SSL 平安连贯（应用层）
- 发送 HTTP 申请（应用层）
建设连贯阶段
要获取 baidu.com 的网页内容，就须要和 baidu 服务器建设连贯，怎么建设这个连贯呢？
- 通过 DNS 获取 baidu 的 IP 地址。
- 建设 TCP 连贯。
DNS 域名解析
通过 DNS 解析，咱们就能找到 baidu 服务器对应的 IP 地址。
如图：
通过 DNS 解析后，咱们就能失去 baidu.com 的 IP 地址了：39.156.69.79 和 220.181.38.148，通常客户端会随机选中一个 IP 地址进行通信。
域名的解析步骤
其实 IP 不肯定要通过 DNS 解析能力获取，它通常会被客户端缓存，只有在 DNS 缓存都没有命中的时候才会申请 DNS 服务器。
判断步骤如下：
- 判断浏览器是否有缓存 IP 地址。
- 判断本机是否有缓存该 IP 地址，如：查看 Host 文件。
- 判断本地域名解析服务器是否有缓存 IP 地址，如：电信，联通等运营商。
- 向 DNS 根域名解析服务器，解析域名 IP 地址。
- 向 DNS 二根域名解析服务器，解析域名 IP 地址。
- 以此类推，最终取得 IP 地址。
建设 TCP 连贯
有了 IP 地址之后，客户端和服务器端就能建设连贯了，首先是建设 TCP 连贯。
TCP 是一种面向连贯的、牢靠的 、基于 字节流 的传输层通信协议。
在这一层，咱们传输的数据会依照一个个的字节装入报文中，当报文的长度达到最大分段（MSS）时，就会发送这个报文。如果传输的报文很长，可能会被拆分成多个 TCP 报文进行传输。
TCP 报文头如下：
咱们次要看以下几点：
- 源端口、目标端口。
- 序列号：seq，报文的惟一标识。
- 确认号：ack，报文的确认标识，便于确认 seq 是否曾经收到。
-
TCP 标记：
- SYN 为 1 示意这是连贯申请或是连贯承受申请。用于创立连贯和同步序列号。
- ACK 为 1 示意确认号字段无效。留神这里大写的 ACK 只是一个标记，和确认号 ack 并不相同。
- FIN 为 1 示意要求开释连贯。
- 窗口：示意发送方能够接管的字节数，即接管窗口大小，用于流量管制。
接下来，咱们看一下 TCP 是怎么建设连贯的？
如图所示，建设 TCP 连贯须要 3 个步骤，俗称三次握手。
- 第一次握手：客户端向服务器端发送序列号 seq=x 的标识，示意开始建设连贯。
-
第二次握手：服务器端回发一个 ack=x+1 的标识，示意确认收到第一次握手，同时发送本人的标识 seq=y。
- 客户端确认本人收回的数据可能被服务器端收到。
-
第三次握手：客户端发送 ack=y+1 的标识，标识确认收到第二次握手。
- 服务器端确认本人收回的数据可能被客户端收到。
通过了 3 次握手，即保障了客户端和服务器端都能失常发送和接收数据，TCP 连贯也就建设胜利了。
TCP 牢靠传输原理
上文中说到，TCP 是牢靠的传输，这是为什么呢？
这是因为 TCP 外部应用了 进行期待协定 ARQ，它通过 确认 和 重传 机制，实现了信息的牢靠传输。
例如：
- 客户端发送数据 M1
- 服务器端确认数据 M1 收到
- 客户端发送数据 M2
- 服务器端确认数据 M2 收到
- 顺次类推 …
在这期间，如果某一条数据很久都没有失去确认，客户端就会重传这条数据。这样一来，对于与每一次发送的数据，服务器端都失去了确认，即保障了数据的可靠性。
尽管 ARQ 能够满足数据可靠性，但每次只能发送和确认一个申请，效率太低了，于是就产生了间断 ARQ 协定。
间断 ARQ 协定 会间断发送一组数据，而后再批量期待这一组数据的确认信息，好比把单线程 ARQ 变成了多线程，大大提高了资源的利用效率。
如：
- 客户端发送数据 M1、M2、M3、M4。
- 服务器端确认数据 M4 收到，示意 M4 及之前的数据都收到了。
- 客户端发送数据 M5、M6、M7、M8。
- 服务器端确认数据 M8 收到，示意 M8 及之前的数据都收到了。
在这个流程中，服务器端不须要对每一个数据都返回确认信息，而是接管到多个数据时一并确认，这个形式叫做 累计确认。
这里有个疑难，TCP 的每一次握手，是怎么找到目标服务器呢？
答：通过 IP 协定。
依据 IP 协定找到指标服务器
IP 协定的目标是实现网络层的数据转发，它通过路由器一直跳转，最终把数据胜利送达目的地。
上文中的每一次 TCP 握手以及数据交互，都是通过 IP 协定去传输的。
IP 报文头如下：
咱们关注以下两点就能够了：
- 源 IP 地址
- 目标 IP 地址
发动一个 IP 申请执行流程如下：
- 构建 IP 申请头（源 IP、指标 IP）。
- IP 协定通过算法，计算出一条通往服务器端的门路。
- 发送端查问路由表，找出下一跳的 IP 地址（通常是路由器），并发送数据。
- 路由器查问路由表，找出下一跳的 IP 地址，并发送数据。
- 一直反复步骤 4，直到找到目标局域网。
- 发送数据。
路由表存在于计算机或路由器中，由目标 IP 地址、子网掩码、下一跳地址、发送接口四局部组成。通过目标 IP 地址，即可找到下一跳的地址，进行转发。
例如：A 要向 G 发送 IP 数据。
具体流程如下：
-
A 生成 IP 头部（源 IP：A，目标 IP：G）
- A 查问路由表，发现下一跳为 B，于是把数据传给 B。
-
B 生成 IP 头部（源 IP：A，目标 IP：G）
- B 查问路由表，发现下一跳为 E，于是把数据传给 E。
-
E 生成 IP 头部（源 IP：A，目标 IP：G）
- E 查问路由表，发现下一跳为 G，于是把数据传给 G。
- 达到目的地 G。
你是否有纳闷，为什么 IP 会依照这条门路向 G 传输数据呢？
其实，上图中的门路并非只有一条，咱们通过 ABEG 达到了目的地 G，同样也能够通过 ABCFHG 达到 G，这两种门路都能实现工作，为什么 IP 不抉择 ABCFHG 这条门路呢？
这就波及到了 IP 寻址的算法。
IP 寻址算法
咱们能够把网络中的所有计算机都看做是一个点，计算机之间的连贯看做是一条线，这些点和线就组合成了一个图。
例如：
通过上图，咱们就把简单的网络转化成了数学问题。IP 寻址算法，其实就是图论中的最短门路的算法。
最短门路算法在 IP 协定中有 2 种实现：
-
RIP 协定
- 应用间隔矢量算法，确保 IP 路由跳转的次数最小。
-
原理
- 每个节点中都保留有其余节点的地位信息（跳数和下一跳的 IP）。
- 通过和街坊节点进行数据交换，更新本人到目的地的最短距离，一直反复，即可失去终点到起点的最短门路。
- 实现简略，开销很小，实用于小型网络。
-
OSPF 协定
- 应用迪杰斯特拉算法，确保 IP 路由跳转的速度最快。
-
原理
- 从起始点开始，采纳贪婪算法的策略，每次遍历到始点间隔最近且未拜访过的顶点的邻接节点，直到扩大到起点为止。
- 实用于大型网络。
通过以上两个协定，咱们就能找到通往目的地的门路了。
这里抛出一个问题：IP 数据是怎么从一个路由器跳到另一个路由器呢？
答：通过以太网协定。
通过 Mac 寻址找到服务器硬件接口
IP 协定次要是用来寻找最优门路的，具体的传输是由以太网协定来做的。
以太网属于数据链路层，它次要负责相邻设施的通信。原理是通过查问交换机 Mac 表，找到通信单方的物理接口，进而开始通信。
以太网报文头如下：
咱们只用关怀以下 3 个点：
- 源 Mac 地址
- 目标 Mac 地址
- 校验码 CRC：校验以后帧是否无效。
能够看到，以太网层都是通过 Mac 地址进行通信的，这里的 Mac 地址是哪里来的呢？
答：通过 ARP 协定。
ARP 协定 是一个通过解析 IP 地址来找寻 Mac 地址的协定。IP 地址转换成 Mac 地址后，就能进行以太网数据传输了。
例如：
当机器 A 向机器 C 发送数据时：
- A 构建以太网报文（源地址：A，目标地址：C），并通过网卡收回数据帧。
- 数据帧达到交换机 B，交换机取出目标地址 C 的 Mac 地址。
-
B 查问 Mac 表，依据目的地 Mac 地址，匹配 C 的硬件接口。
- 如果找到 C 的硬件接口，发送数据。
- 如果未找到 C 的硬件接口，向 B 直连的所有机器发送播送信息找 C，找到后会把 C 记录到 Mac 表中。
通过上述的流程，咱们就找到了目标机器的硬件接口。
通过以太网协定，咱们找到了指标机器的硬件接口，接下来要怎么发送信息呢？
答：通过物理层。
通过网线向服务器硬件接口传输比特信息
在没有 WiFi 的年代，咱们只能通过插网线来进行上网，网线其实就是物理层的设施之一。
网线能够由多种资料组成，最常见的就是光纤和电缆。
光纤和电缆的传输原理相似，都是通过两个信号来模仿二进制数据的，一个信号即为一个比特。
- 电缆中：高电位示意 1，低点位示意 0。
- 光纤中：光洁示意 1，光燃烧示意 0。
如：在光纤中，咱们通过观察光的闪动，即可得悉传输的二进制数据。
有了这些物理设施，咱们就能把简单的数据转换成光信号或者电信号进行传输了。
发送数据阶段
发送数据能够分为两个步骤：
- 建设平安层 SSL
- 发送 HTTP 申请
建设平安层 SSL
本文的案例是发送一个 HTTPS 的申请，所以在发送数据之前，会创立一个 SSL 平安层，用于数据加密。
通常的加密办法有两种：
-
非对称加密
- A 有钥匙，B 没有钥匙，且他们都有一个公共的锁，B 给 A 发送数据时，都会先把数据锁起来再发送。
- 接收数据时，A 用钥匙解开锁，即可失去数据。除 A 以外，其他人没有钥匙，也就获取不到数据。
- 实现了单向通信加密。
-
对称加密
- A、B 单方都有一把雷同的钥匙和一个公共的锁，每次发送数据时，都把数据放在锁里进行发送。
- 接收数据时，A、B 单方就用各自的钥匙来解锁。其他人没有钥匙，也就获取不到数据。
- 实现了双向通信加密。
互联网通信是双向的，所以咱们须要应用对称加密，可是，怎样才能保障通信单方都有一把雷同的钥匙呢？
目前的解决方案：
- 先应用非对称加密，进行秘钥协商，让通信单方拿到雷同的钥匙。
- 而后应用对称加密，进行加密传输。
秘钥协商过程如图：
图中划重点：
- 客户端发送本身反对的加密算法。
- 服务器端抉择一种加密算法，同时返回数字证书。
- 客户端确认证书无效。
- 客户端生成随机数，并应用证书中的服务器公钥加密，而后发送给服务器。
- 服务器端应用私钥解密，取得随机数。
- 单方应用第 2 步确定的加密算法，把随机数进行加密，即可取得雷同的对称加密秘钥。
Ok，秘钥协商之后，咱们的 SSL 平安层也就建好了。
秘钥协商时存在一个问题：
秘钥协商时，怎么保障是和真正的服务器在协商，而不是一个中间人呢？
答：数字证书。
数字证书重点关注 2 个局部：
- 服务器公钥
- 数字签名
其中，数字签名又是由服务器公钥和证书私钥加密生成的，目标是为了避免服务器公钥被篡改。
有了数字证书，客户端就能通过验证证书，来判断服务器是否是真正的服务器了。
验证逻辑如下：
能够看到，数字证书通过同样的算法进行解密，如果失去雷同的信息摘要，就能保证数据是无效的，如果不统一，则会验证失败，回绝后续的申请。
到这里为止，所有的筹备工作都就绪了，接下来才是发送 HTTP 申请。
发送 HTTP 申请
HTTP 协定其实就是制订了一个通信规定，规定了客户端和服务器之间的通信格局。
以申请 baidu 首页为例：
如上图所示，发动 HTTP 申请时，必须恪守以下规定：
- 申请办法（必填）
GET - 申请地址（必填）
/ - HTTP 协定版本（必填）
1.1 - 其余 HTTP 头部字段（可选）
Host、User-Agent、Accept - 申请参数，放在空行前面（可选）
服务器响应申请时，同样恪守了 HTTP 响应规定：
- HTTP 协定版本（必填）
1.1 - 响应状态码（必填）
200 - 状态码形容（必填）
OK - 其余 HTTP 头部字段（可选）
Date、Server、ETag、Last-Modified等 - 申请参数，放在空行前面（可选）
只有咱们恪守这个规定，就能进行 HTTP 通信了。
到目前为止，咱们曾经剖析实现了数据申请的所有过程，你是否都了解了呢？
思考与总结
本文通过一个网络申请，对整个 HTTP、TCP、IP、以太网等协定进行了流程化剖析，最初再梳理一下：
- 申请 baidu.com。
- DNS 解析 baidu.com，失去 IP 地址。
- 建设 TCP 连贯。
- IP 协定通过算法，计算出一条通往服务器最优门路。
- IP 沿着门路跳转时，会通过 ARP 协定把 IP 地址转换成 Mac 地址。
- 以太网通过 Mac 地址，找到通信单方的硬件接口。
- 物理层通过网线作为载体，在两个硬件接口之间传输比特信号。
- TCP 连贯建设结束。
- 建设 SSL 平安层。
- 发送 HTTP 申请。
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