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Web页面请求过程

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模拟局域网中有网线的主机向外网服务器发送 HTTP 请求，获取 dzapathy.github.io 页面

浏览器和服务器是应用层程序，使用 HTTP / HTTPS 协议进行网络通信，HTTP 的底层协议是 TCP 协议。为了能够进行通信，首先需要知道源 IP 地址和目的 IP 地址

源 IP：DHCP

假设主机没有 IP 地址以及相关信息，需要使用 DHCP 协议获取 IP 地址

  • 主机发送 DHCP 发现报文
    • 主机应用层生成 DHCP 发现报文，并向下传送给传输层
    • 主机传输层将 DHCP 发现报文封装成 UDP 报文段，源端口号是 68，目的端口号是 67，并向下传送给网络层
    • 主机网络层将 UDP 报文段封装成 IP 数据报，源 IP 地址是 $0.0.0.0$，目的 IP 地址是 $255.255.255.255$，向下传输给数据链路层
    • 主机数据链路层将 IP 数据报封装成数据帧，源 MAC 地址是主机 MAC 地址，目的 MAC 地址是 $FF:FF:FF:FF:FF:FF$，并发送给物理层
    • 主机物理层以比特流的方式传输数据帧，将数据帧发送到交换机
    • 交换机将主机的 MAC 地址及对应的接口记录在交换表中，然后在交换机的所有出口广播这个数据帧
    • DHCP 服务器（路由器可以作为 DHCP 服务器）收到广播的数据帧，拆开首部和尾部得到 IP 数据报并向上传送给网络层
    • DHCP 网络层拆开 IP 数据报首部得到 UDP 报文段，并将其发送给传输层
    • DHCP 传输层拆开 UDP 数据报得到 DHCP 报文，并将其发送给应用层
    • DHCP 应用层服务器得到 DHCP 发现报文
  • DHCP 服务器发送提供报文
    • DHCP 应用层生成 DHCP 提供报文，包含 IP 地址、子网、网关 IP 和 DNS 服务器 IP 信息，并向下传送给传输层
    • DHCP 传输层将 DHCP 提供报文封装成 UDP 报文段，源端口号是 67，目的端口号是 68，并向下传送给网络层
    • DHCP 网络层将 UDP 报文段封装成 IP 数据报，源 IP 地址是 DHCP 服务器 IP 地址，目的 IP 地址是 $255.255.255.255$，向下传输给数据链路层
    • DHCP 数据链路层将 IP 数据报封装成数据帧，源 MAC 地址是DHCP MAC 地址，目的 MAC 地址是 $FF:FF:FF:FF:FF:FF$，并发送给物理层
    • DHCP 物理层以比特流的方式传输数据帧，将数据帧发送到交换机
    • 交换机将 DHCP 服务器的 MAC 地址及对应的接口记录在交换表中，然后在交换机的所有出口广播这个数据帧
    • 主机收到广播帧，依次经过数据链路层、网络层、传输层、应用层得到 DHCP 提供报文
  • 主机发送 DHCP 请求报文
    • 源端口号是 68，目的端口号是 67，源 IP 地址是 $0.0.0.0$ ，目的 IP 地址是 $255.255.255.255$，依次经过应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层发送给 DHCP 服务器，DHCP 服务器经过数据链路层、网络层、传输层、应用层得到 DHCP 请求报文
  • DHCP 服务器发送 DHCP 确认报文
    • 源端口号是 67，目的端口号是 68，源 IP 地址是 DHCP IP地址，目的 IP 地址是 $255.255.255.255$
    • 主机收到 DHCP 确认报文，得到自己的 IP 地址、子网掩码、DNS 服务器 IP 地址和网关 IP 地址

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至此，主机获得 IP！

网关 MAC： ARP

假设主机没有网关路由器的 MAC 地址的 ARP 高速缓存

主机在局域网中，要访问局域网之外的主机需要通过网关路由器来进行访问。由于局域网内的 IP 地址可能比较紧缺，所以使用 DHCP 协议进行动态主机配置。DHCP 是有租期的，也就是说 IP 地址可能会改变，所以在局域网内使用 MAC 地址作为主机的唯一标识。对于主机来说，唯一不变的是 MAC 地址。所以要获取网关服务器的 MAC 地址

  • 主机应用层生成 ARP 查询报文，源 IP 地址是主机 IP 地址，目的 IP 地址是主机的默认网关路由器 IP 地址。经过传输层、网络层、数据链路层和物理层将数据帧发送给交换机
  • 交换机将数据帧广播出去
  • 网关路由器接收到数据帧，层层解析得到 ARP 查询报文，发现 ARP 查询报文的目的 IP 地址与自己某个网络接口 IP 地址匹配，发送 ARP 应答报文，报文中包含网关 MAC 地址

至此，主机能够与默认网关进行通信！

转换 IP： NAT

假设主机 IP 地址是私有 IP 地址

如果在局域网内部使用私有地址就无法与外部网络进行通信。为了保证通信，需要在网关处使用网络地址转换协议 NAT 将私有地址转化为公有地址

  • 在 NAT 路由器转换表中记录 公有IP，新端口号和 源IP，源端口号 的映射关系，转换方式包括静态转换、动态转换和端口多路复用等
  • 内网向外网发数据：根据 NAT 转换表，利用 公有IP，新端口号 替换每个外出 IP 分组的源IP，源端口号
  • 外网向内网发数据：根据 NAT 转换表，利用源IP，源端口号 替换每个 IP 分组的 公有IP，新端口号

至此，主机能够通过默认网关与外网进行通信！

目的 IP：DNS

假设主机没有 DNS 缓存，并且 DNS 查询使用迭代查询

  • 首先主机将查询发送给本地域名服务器
  • 本地域名服务器无法解析域名时，本地域名服务器作为代理转发查询访问根域名服务器
    • 请求在网络核心通过路由器进行路由转发，由于路由器实现了内部网关协议（RIP，OSPF）和外部网关协议（BGP），所以请求能够正确的到达 DNS 域名服务器
  • 根域名服务器无法解析域名时，返回顶级域名服务器 io
  • 本地域名服务器查询顶级域名解析服务器 io
  • 顶级域名解析服务器无法解析域名时，返回权威域名服务器 github.io
  • 本地域名服务器查询权威域名服务器 github.io
  • 权威域名服务器 github.io 返回 dzapathy.github.io 的 IP 地址
  • 本地域名服务器将 dzapathy.github.io 的 IP 地址返回给客户端

至此，主机获得目的 IP 地址！

建立连接：TCP 三次握手

现在已经获得了源 IP 地址，源端口号，目的 IP 地址和目的端口号，就可以进行 TCP 三次握手了

  • 服务器一直处于 LISTEN（监听）状态，等待客户的连接请求
  • 客户端向服务器发送请求报文，SYN=1，ACK=0，随机初始化序号 x
  • 服务器收到请求报文，如果同意建立连接则向 A 发送连接确认报文，SYN=1，ACK=1，确认号为 x+1，随机初始化序号 y
  • 客户端收到服务器的确认报文后进行第三次握手，确认号为 y+1，序号为 x+1
  • 服务器收到客户端的第三次握手后，连接 TCP 建立

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至此，主机和服务器建立了 TCP 连接，能够进行 HTTP 通信！

请求：HTTP

假设服务器使用 SpringMVC

  • 主机发送 HTTP GET 请求报文，经过传输层、网络层、数据链路层和物理层交付给服务器
  • 服务器层层拆分得到 HTTP GET 请求报文
  • 服务器生成 HTTP 响应报文，将页面数据放入报文实体部分并发送给主机
    • SpringMVC 前端控制器接收请求，并将请求发送给处理器映射器
    • 处理器映射器根据 URL 查找处理器，并将处理器返回给前端控制器
    • 前端控制器将处理器发送给处理器适配器，通过处理器适配器访问处理器
    • 执行处理器
    • 处理器会返回一个 ModelAndView 对象给处理器适配器
    • 处理器适配器将 ModelAndView 返回给前端控制器，包括数据和视图
    • 前端控制器向视图解析器发送视图解析请求
    • 视图解析器返回视图对象
    • 前端控制器进行视图渲染，将model转行成responce
  • 浏览器收到 HTTP 响应报文，使用浏览器渲染页面，最后显示页面

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至此，主机获得请求页面！

断开连接

HTTP/1.1 之前默认是短连接的，一旦服务器发送完数据就会主动断开 TCP 连接，进行 TCP 四次挥手。HTTP/1.1 默认是长连接，不会立刻断开连接，可以设置 keep-alive 的 timeout，当到 timeout 后仍然没有数据传输就断开连接