关于网络:计算机网络概述浏览器

从在浏览器中输出网址，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实现了一系列的工作。这里将以探索之旅的模式，率领大家摸索这一系列工作中的每一个环节。

首先要摸索的是浏览器，咱们将介绍浏览器外部的工作原理。

生成 HTTP 申请音讯

从输出网址开始

网址，精确来说应该叫 URL，就是以 http: // 结尾的那一串字符。实际上除了“http:”，网址还能够以其余一些文字结尾，例如“ftp:”“file:”“mailto:”等。

之所以有各种各样的 URL，是因为只管咱们通常是应用浏览器来拜访 Web 服务器的，但实际上浏览器并不只有这一个性能，它也能够用来在 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性能。能够说，浏览器是一个具备多种客户端性能的综合性客户端软件，因而它须要一些货色来判断应该应用其中哪种性能来拜访相应的数据，而各种不同的 URL 就是用来干这个的，比方拜访 Web 服务器时用“http:”，而拜访 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 服务器的申请音讯。URL 的格局会随着协定的不同而不同，上面咱们以拜访 Web 服务器的状况为例来进行解说。

依据 HTTP 的规格，URL 蕴含下图（a）中的这几种元素。当对 URL 进行解析时，首先须要依照下图（a）的格局将其中的各个元素拆分进去，例如下图（b）中的 URL 会拆分成下图（c）的样子。而后，通过拆分进去的这些元素，咱们就可能明确 URL 代表的含意。例如，咱们来看拆分后果下图（c），其中蕴含 Web 服务器名称 www.lab.glasscom.com，以及文件的路径名 /dir1/file1.html，因而咱们就可能明确，下图（b）中的 URL 示意要拜访 www.lab.glasscom.com 这个 Web 服务器上路径名为 /dir/file1.html 的文件。

HTTP 的基本思路

解析完 URL 之后，咱们就晓得应该要拜访的指标在哪里了。接下来，浏览器会应用 HTTP 协定来拜访 Web 服务器。

HTTP 协定定义了客户端和服务器之间交互的音讯内容和步骤，其基本思路非常简单。首先，客户端会向服务器发送申请音讯。申请音讯中蕴含的内容是“对什么”和“进行怎么的操作”两个局部。其中相当于“对什么”的局部称为 URI。一般来说，URI 的内容是一个寄存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。

“进行怎么的操作”的局部称为办法。办法示意须要让 Web 服务器实现怎么的工作，其中典型的例子包含读取 URI 示意的数据、将客户端输出的数据发送给 URI 示意的程序等。下图列举了次要的办法，通过这张图大家应该可能了解通过办法能够执行怎么的操作。

HTTP 音讯中还有一些用来示意附加信息的头字段。客户端向 Web 服务器发送数据时，会先发送头字段，而后再发送数据。

收到申请音讯之后，Web 服务器会对其中的内容进行解析，通过 URI 和办法来判断“对什么”“进行怎么的操作”，并依据这些要求来实现本人的工作，而后将后果寄存在响应音讯中。在响应音讯的结尾有一个状态码，它用来示意操作的执行后果是胜利还是产生了谬误。状态码前面就是头字段和网页数据。响应音讯会被发送回客户端，客户端收到之后，浏览器会从音讯中读出所需的数据并显示在屏幕上。到这里，HTTP 的整个工作就实现了。

生成 HTTP 申请

对 URL 进行解析之后，浏览器确定了 Web 服务器和文件名，接下来就是依据这些信息来生成 HTTP 申请音讯了。实际上，HTTP 音讯在格局上是有严格规定的，因而浏览器会依照规定的格局来生成申请音讯。

首先，申请音讯的第一行称为申请行。这里的重点是最结尾的办法，办法能够通知 Web 服务器它应该进行怎么的操作。写好办法之后，加一个空格，而后写 URI。URI 局部的格局个别是文件和程序的路径名。第一行的开端须要写上 HTTP 的版本号，这是为了示意该音讯是基于哪个版本的 HTTP 规格编写的。到此为止，第一行就完结了。

第二行开始为音讯头。只管通过第一行咱们就能够大抵了解申请的内容，但有些状况下还须要一些额定的详细信息，而音讯头的性能就是用来寄存这些信息。音讯头的规格中定义了很多我的项目，如日期、客户端反对的数据类型、语言、压缩格局、客户端和服务器的软件名称和版本、数据有效期和最初更新工夫等。

写完音讯头之后，还须要增加一个齐全没有内容的空行，而后写上须要发送的数据。这一部分称为音讯体，也就是音讯的主体。音讯体完结之后，整个音讯也就完结了。

接管 HTTP 响应

当咱们将上述申请音讯发送进来之后，Web 服务器会返回响应音讯。响应音讯的格局以及基本思路和申请音讯是雷同的，差异只在第一行上。在响应音讯中，第一行的内容为状态码和响应短语，用来示意申请的执行后果是胜利还是出错。状态码和响应短语示意的内容统一，但它们的用处不同。状态码是一个数字，它次要用来向程序告知执行的后果；绝对地，响应短语则是一段文字，用来向人们告知执行的后果。

返回响应音讯之后，浏览器会将数据提取进去并显示在屏幕上，咱们就可能看到网页的样子了。

向 DNS 服务器查问 Web 服务器的 IP 地址

IP 地址

生成 HTTP 音讯之后，接下来咱们须要委托操作系统将音讯发送给 Web 服务器。只管浏览器可能解析网址并生成 HTTP 音讯，但它自身并不具备将音讯发送到网络中的性能，因而这一性能须要委托操作系统来实现。在进行这一操作时，咱们还有一个工作须要实现，那就是查问网址中服务器域名对应的 IP 地址。在委托操作系统发送音讯时，必须要提供的不是通信对象的域名，而是它的 IP 地址。因而，在生成 HTTP 音讯之后，下一个步骤就是依据域名查问 IP 地址。

互联网和公司外部的局域网都是基于 TCP/IP 的思路来设计的。TCP/IP 的构造如图所示，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。这里的子网能够了解为用集线器连接起来的几台计算机，咱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，就造成了一个网络。

在网络中，所有的设施都会被调配一个地址。这个地址就相当于事实中某条路上的“××号××室”。其中“号”对应的号码是调配给整个子网的，而“室”对应的号码是调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 地址咱们能够判断出拜访对象服务器的地位，从而将音讯发送到服务器。音讯传送的具体过程咱们先简略理解一下。发送者收回的音讯首先通过子网中的集线器，转发到间隔发送者最近的路由器上。接下来，路由器会依据音讯的目的地判断下一个路由器的地位，而后将音讯发送到下一个路由器，即音讯再次通过子网内的集线器被转发到下一个路由器。后面的过程一直反复，最终音讯就被传送到了目的地。

如图所示，理论的 IP 地址是一串 32 比特的数字，依照 8 比特（1 字节）为一组分成 4 组，别离用十进制示意而后再用圆点隔开。这就是咱们平时常常见到的 IP 地址格局，但仅凭这一串数字咱们无奈辨别哪局部是网络号，哪局部是主机号。在组建网络时，用户能够自行决定它们之间的分配关系，因而，咱们还须要另外的附加信息来示意 IP 地址的内部结构。

这一附加信息称为子网掩码。子网掩码是一串与 IP 地址长度雷同的 32 比特数字，其右边一半都是 1，左边一半都是 0。其中，子网掩码为 1 的局部示意网络号，子网掩码为 0 的局部示意主机号。

顺带一提，主机号局部的比特全副为 0 或者全副为 1 时代表两种非凡的含意。主机号局部全副为 0 代表整个子网而不是子网中的某台设施。此外，主机号局部全副为 1 代表向子网上所有设施发送包，即播送。

通过解析器向 DNS 服务器收回查问

查问 IP 地址的办法非常简单，只有询问最近的 DNS 服务器“www.lab.glasscom.com 的 IP 地址是什么”就能够了。向 DNS 服务器收回查问，也就是向 DNS 服务器发送查问音讯，并接管服务器返回的响应音讯。换句话说，对于 DNS 服务器，咱们的计算机上肯定有相应的 DNS 客户端，而相当于 DNS 客户端的局部称为 DNS 解析器，或者简称解析器。

解析器实际上是一段程序，它蕴含在操作系统的 Socket 库中，在介绍解析器之前，咱们先来简略理解一下 Socket 库。库到底是什么货色呢？库就是一堆通用程序组件的汇合，其余的应用程序都须要应用其中的组件。Socket 库也是一种库，其中蕴含的程序组件能够让其余的应用程序调用操作系统的网络性能，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 库中的程序都是规范组件，只有从应用程序中进行调用就能够了。具体来说，在编写浏览器等应用程序的时候，只有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”就能够了，这样就实现了对解析器的调用。

解析器的外部原理

上面来看一看当应用程序调用解析器时，解析器外部是怎么工作的。网络应用程序（在咱们的场景中就是指浏览器）调用解析器时，程序的管制流程就会转移到解析器的外部。

当管制流程转移到解析器后，解析器会生成要发送给 DNS 服务器的查问音讯。这个过程与浏览器生成要发送给 Web 服务器的 HTTP 申请音讯的过程相似，解析器会依据 DNS 的规格，生成一条示意“请通知我 www.lab.glasscom.com 的 IP 地址”的数据，并将它发送给 DNS 服务器。发送音讯这个操作并不是由解析器本身来执行，而是要委托给操作系统外部的协定栈来执行。这是因为和浏览器一样，解析器自身也不具备应用网络收发数据的性能。解析器调用协定栈后，协定栈会执行发送音讯的操作，而后通过网卡将音讯发送给 DNS 服务器。

当 DNS 服务器收到查问音讯后，它会依据音讯中的查问内容进行查问。总之，如果要拜访的 Web 服务器曾经在 DNS 服务器上注册，那么这条记录就可能被找到，而后其 IP 地址会被写入响应音讯。接下来，音讯通过网络达到客户端，再通过协定栈被传递给解析器，而后解析器读取出音讯取出 IP 地址，并将 IP 地址传递给应用程序。

顺带一提，向 DNS 服务器发送音讯时，咱们当然也须要晓得 DNS 服务器的 IP 地址。只不过这个 IP 地址是作为 TCP/IP 的一个设置我的项目当时设置好的，不须要再去查问了。

DNS 服务器的大接力

DNS 服务器的根本工作

前文介绍了解析器与 DNS 服务器之间的交互过程，上面来理解一下 DNS 服务器的工作。DNS 服务器的根本工作就是接管来自客户端的查问音讯，而后依据音讯的内容返回响应。

其中，来自客户端的查问音讯蕴含以下 3 种信息。

• 域名：服务器、邮件服务器（邮件地址中 @前面的局部）的名称。
• Class：在最早设计 DNS 计划时，DNS 在互联网以外的其余网络中的利用也被思考到了，而 Class 就是用来辨认网络的信息。不过，现在除了互联网并没有其余的网络了，因而 Class 的值永远是代表互联网的 IN。
• 记录类型：示意域名对应何种类型的记录。例如，当类型为 A 时，示意域名对应的是 IP 地址；当类型为 MX 时，示意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 服务器上当时保留有后面这 3 种信息对应的记录数据，如图所示。DNS 服务器就是依据这些记录查找合乎查问申请的内容并对客户端作出响应的。

域名的层次结构

在后面的介绍中，咱们假如要查问的信息曾经保留在 DNS 服务器外部的记录中了。如果是在像公司外部网络这样 Web 和邮件服务器数量无限的环境中，所有的信息都能够保留在一台 DNS 服务器中。然而，互联网中存在着成千上万的服务器，将这些服务器的信息全副保留在一台 DNS 服务器中是不可能的，因而肯定会呈现在 DNS 服务器中找不到要查问的信息的状况。上面来看一看此时 DNS 服务器是如何工作的。

首先，DNS 服务器中的所有信息都是依照域名以分档次的构造来保留的。层次结构这个词听起来可能有点不容易懂，其实就相似于公司中的事业团体、部门、科室这样的构造。层次结构可能帮忙咱们更好地治理大量的信息。

DNS 中的域名都是用句点来分隔的，比方 www.lab.glasscom.com，这里的句点代表了不同档次之间的界线，就相当于公司外面的组织构造不必部、科之类的名称来划分，只是用句点来分隔而已。在域名中，越靠右的地位示意其层级越高。其中，相当于一个层级的局部称为域。因而，com 域的下一层是 glasscom 域，再下一层是 lab 域，再上面才是 www 这个名字。

这种具备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解决的。换句话说就是，一个域的信息是作为一个整体寄存在 DNS 服务器中的，不能将一个域拆开来寄存在多台 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 服务器中也能够寄存多个域的信息。

寻找相应的 DNS 服务器并获取 IP 地址

上面再来看一看如何找到 DNS 服务器中寄存的信息。这里的关键在于如何找到咱们要拜访的 Web 服务器的信息归哪一台 DNS 服务器管。

互联网中无数万台 DNS 服务器，必定不能一台一台挨个去找。咱们能够采纳上面的方法。首先，将负责管理上级域的 DNS 服务器的 IP 地址注册到它们的下级 DNS 服务器中，而后下级 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 地址须要注册到 glasscom.com 域的 DNS 服务器中，而 glasscom.com 域的 DNS 服务器的 IP 地址又须要注册到 com 域的 DNS 服务器中。这样，咱们就能够通过下级 DNS 服务器查问出上级 DNS 服务器的 IP 地址，也就能够向上级 DNS 服务器发送查问申请了。

在互联网中，最下面的一级域，称为根域。根域没有本人的名字，因而在个别书写域名时常常被省略，如果要明确示意根域，应该像 www.lab.glasscom.com．这样在域名的最初再加上一个句点，而这个最初的句点就代表根域。不过，个别都不写最初那个句点，因而根域的存在往往被疏忽，但根域毕竟是实在存在的，根域的 DNS 服务器中保存着 com 等的 DNS 服务器的信息。因为下级 DNS 服务器保存着所有上级 DNS 服务器的信息，所以咱们能够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。

除此之外还须要实现另一项工作，那就是 将根域的 DNS 服务器信息保留在互联网中所有的 DNS 服务器中。这样一来，任何 DNS 服务器就都能够找到并拜访根域 DNS 服务器了。因而，客户端只有可能找到任意一台 DNS 服务器，就能够通过它找到根域 DNS 服务器，而后再一路顺藤摸瓜找到位于上层的某台指标 DNS 服务器。

假如咱们要查问 www.lab.glasscom.com 这台 Web 服务器的 ip 地址，大略流程如下图：

通过缓存放慢 DNS 服务器的响应

在实在的互联网中，一台 DNS 服务器能够治理多个域的信息，因而并不是像上图这样每个域都有一台本人的 DNS 服务器。图中，每一个域旁边都写着一台 DNS 服务器，但事实中下级域和上级域有可能共享同一台 DNS 服务器。在这种状况下，拜访下级 DNS 服务器时就能够向下跳过一级 DNS 服务器，间接返回再下一级 DNS 服务器的相干信息。

此外，有时候并不需要从最下级的根域开始查找，因为 DNS 服务器有一个缓存性能，能够记住之前查问过的域名。如果要查问的域名和相干信息曾经在缓存中，那么就能够间接返回响应，接下来的查问能够从缓存的地位开始向下进行。相比每次都从根域找起来说，缓存能够缩小查问所需的工夫。并且，当要查问的域名不存在时，“不存在”这一响应后果也会被缓存。这样，当下次查问这个不存在的域名时，也能够疾速响应。

这个缓存机制中有一点须要留神，那就是信息被缓存后，本来的注册信息可能会产生扭转，这时缓存中的信息就有可能是不正确的。因而，DNS 服务器中保留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，在对查问进行响应时，DNS 服务器也会告知客户端这一响应的后果是来自缓存中还是来自负责管理该域名的 DNS 服务器。

委托协定栈发送音讯

数据收发操作概览

晓得了 IP 地址之后，就能够委托操作系统外部的协定栈向这个指标 IP 地址，也就是咱们要拜访的 Web 服务器发送音讯了。和向 DNS 服务器查问 IP 地址的操作一样，这里也须要应用 Socket 库中的程序组件。

应用 Socket 库来收发数据的操作过程如图所示。简略来说，收发数据的两台计算机之间连贯了一条数据通道，数据沿着这条通道流动，最终达到目的地。咱们能够把数据通道设想成一条管道，将数据从一端送入管道，数据就会达到管道的另一端而后被取出。

光从图上来看，这条管道如同一开始就有，实际上并不是这样，在进行收发数据操作之前，单方须要先建设起这条管道才行。建设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。咱们须要先创立套接字，而后再将套接字连接起来造成管道。

具体来说，收发数据的操作分为若干个阶段，能够大抵总结为以下 4 个。

1. 创立套接字（创立套接字阶段）
2. 将管道连贯到服务器端的套接字上（连贯阶段）
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定栈。

创立套接字阶段

客户端创立套接字的操作非常简单，只有调用 Socket 库中的 socket 函数就能够了。套接字创立实现后，协定栈会返回一个描述符，应用程序会将收到的描述符寄存在内存中。通过应用这个描述符，协定栈就可能判断出咱们心愿用哪一个套接字来连贯或者收发数据了。

连贯阶段

接下来，咱们须要委托协定栈将客户端创立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 函数来实现这一操作。当调用 connect 时，须要指定描述符、服务器 IP 地址和端口号这 3 个参数。

只有晓得了 IP 地址，咱们就能够辨认出网络上的某台计算机。然而，连贯操作的对象是某个具体的套接字，因而必须要辨认到具体的套接字才行，而端口号就是这样一种形式。当同时指定 IP 地址和端口号时，就能够明确辨认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外部辨认套接字的机制，那么端口号就是用来让通信的另一方可能辨认出套接字的机制。

既然须要通过端口号来确定连贯对象的套接字，那么到底应该应用几号端口呢？网址中如同并没有端口号，也不能像 IP 地址一样去问 DNS 服务器。其实，服务器上所应用的端口号是依据利用的品种当时规定好的，仅此而已。

既然确定连贯对象的套接字须要应用端口号，那么服务器也得晓得客户端的套接字号码才行吧，这个问题是怎么解决的呢？事件是这样的，首先，客户端在创立套接字时，协定栈会为这个套接字轻易调配一个端口号。接下来，当协定栈执行连贯操作时，会将这个轻易调配的端口号告诉给服务器。

通信阶段

当套接字连接起来之后，剩下的事件就简略了。只有将数据送入套接字，数据就会被发送到对方的套接字中。当然，应用程序无奈间接管制套接字，因而还是要通过 Socket 库委托协定栈来实现这个操作。这个操作须要应用 write 这个函数，具体过程如下。

首先，应用程序须要在内存中筹备好要发送的数据。依据用户输出的网址生成的 HTTP 申请音讯就是咱们要发送的数据。接下来，当调用 write 时，须要指定描述符和发送数据，而后协定栈就会将数据发送到服务器。

接下来，服务器执行接管操作，解析收到的数据内容并执行相应的操作，向客户端返回响应音讯。

当音讯返回后，须要执行的是接管音讯的操作。接管音讯的操作是通过 Socket 库中的 read 函数委托协定栈来实现的。调用 read 时须要指定用于寄存接管到的响应音讯的内存地址，这一内存地址称为接收缓冲区。于是，当服务器返回响应音讯时，read 就会负责将接管到的响应音讯寄存到接收缓冲区中。

断开阶段

当浏览器收到数据之后，收发数据的过程就完结了。接下来，咱们须要调用 Socket 库的 close 函数进入断开阶段。最终，连贯在套接字之间的管道会被断开，套接字自身也会被删除。