22 URL到网卡：网络数据流动

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22 URL到网卡：网络数据流动

2023-05-03 13:56:32 来源：博客园

输入URL，从一个请求到响应都发生了什么事?

常规网络交互过程：1、从客户端发起网络请求，用户态的应用程序会生成HTTP请求报文，并通过DNS协议查找到对应的远端 IP地址；2、在套接字生成以后进入内核态，游览器会委托操作系统内核协议栈中的上半部分，即TCP/UDP协议发起连接请求；3、然后由协议栈下半部分的ip协议进行封装，使数据包具有远程定位能力；4、经过MAC层处理，找到接收方的目标MAC地址；5、最终数据包在经过网卡转化成电信号经过交换机、路由器发送到服务端，服务端经过处理拿到数据，再通过各种网络协议把数据响应给客户端；6、客户端拿到数据；7、客户端与服务端之间反复交换数据，客户端的页面就会发生变换；

(相关资料图)

网络分层和网络协议：

通过网络分层简化问题难度；网络数据传输过程中，不同的设备之间的传输数据的格式，需要定义一个数据标准，因此有了网络协议；

发起请求阶段（应用层）：

应用层是工作在操作系统的用户态；

用户输入：在游览器中输入URL：

输入时，游览器会根据我们的输入内容，先匹配对应的URL以及关键词，给出输入建议，同时检查URL的合法性，并且在URL前后补全URL；每个网络栏的地址都符合通用URI 的语法；

URI = scheme:[//authority]path[?query][#fragment]URI = 方案:[//授权]路径[?查询][#片段ID]

游览器会从URL中提取出网络的地址，也叫主机名；可以为域名或IP地址；解析之后，生成HTTP请求；

网络请求前：查看游览器缓存：

HTTP报文生成之后，会先检查本地缓存，若访问过当前的URL，会先进入缓存查询；缓存有：路由器缓存、DNS 缓存、浏览器缓存、Service Worker、Memory Cache、Disk Cache、Push Cache、系统缓存等；若游览器缓存没有命中缓存，游览器会做一个系统调用获得系统缓存中的记录，通过域名获取IP地址，返回hostent 结构；

若没有访问过，就会跳过缓存这一步；

域名解析：DNS

游览器会委托操作系统将HTTP报文发送到对应的服务端；这之前需要查找到服务端的IP地址；为方便记忆，将IP映射为域名；

DNS服务器是一个分布式数据库：维护IP和域名的映射关系；

在域名中，层级关系是从左到右、从低到高排列的树形结构，最高一级的根节点为root节点；即根域名服务器；因为所有的域名的顶级域名都一样，因此省略；完整的应该是cosmos.com. ，后面的. 相当于.root ;

客户端因此只要请求到一个DNS服务器，就可以一层层递归和迭代查找所有的DNS服务器；

DNS域名解析的过程：DNS解析 > 浏览器DNS缓存 > hosts文件 > 本地DNS服务器 > ISP DNS服务器；

操作系统协议栈（传输层和网络层）：

TCP/IP 协议栈最广泛；协议栈的上半部分负责和应用层通过套接字（Socket）进行交互；它可以是TCP协议或UDP协议；

应用层会委托协议栈的上半部分完成收发数据的工作；下半部分负责把数据发送到指定方的IP协议，由IP协议连接下层的网卡驱动；

可靠性传输：建立TCP连接：

游览器通过DNS解析拿到cosmos的IP地址后，取出URL的端口，HTTP默认为80，HTTPS 默认为443；随即游览器委托协议栈向对应的IP地址发器TCP连接请求；

建立TCP三次握手操作：

发送的是TCP分组；也是一次网络通信；TCP包头用于向下层表明这是一个tcp数据包；首先是源端口号和目标端口号，接着是一串有序数字，保证TCP报文有序被接受，解决网络包乱序问题；之后是确认号，防止数据包丢失；紧接着是一些状态位，维护双方连接的状态；后面还有一个窗口，用于流量控制；

TCP层封装好数据包，向下层IP层发送；

目的地定位：IP层：

IP协议是TCP/IP协议栈的核心；网络数据包进入网络层后，IP层协议函数要对网络数据包进行：数据包的校验和检验；防火墙对数据包过滤；IP选项处理；数据分片和重组；接收、发送和前送；

IP层被设计成 IP寻址、路由和分包组包；IP地址并不是以主机数目进行配置的，而是根据网卡数来进行；把IP地址及相关信息组装为一个IP头，把它放在网络数据的前面形成IP包；最后将IP包发送给ip层下一层组件MAC层；

点对点传输：MAC（链路层）

网卡mac地址就是计算机网卡的物理地址；固化到网卡中，唯一且无重复；

由IP包加上mac头；mac头包括发送方的mac头，和接收方的mac头；用于两个物理地址点对点传输；此外还有一个头部字段为协议类型，有IP和ARP两种；

发送方的mac地址只需要读取当前设备网卡的mac地址就可以获取；而接收方的mac头则需要通过ARP协议在网络中携带IP地址，在一个网络中发送广播信息，这样就能获取网络的IP地址对应的mac地址；然后给IP头加上mac头就可以成为mac数据包；

电信号的出口：网卡（物理层）

将数据包转化为电信号；mac数据包交给网卡驱动程序，而网卡驱动程序会将mac数据包写入网卡的缓冲区（网卡上的内存）；网卡会在mac数据包的起止位置加入起止帧和校验序列；最后将加入起止帧和校验序列的mac数据包转化为电信号，发送出去；

客户端服务端的持续数据交换（应用层）：

数据通过网卡离开了计算机，进入到局域网，通过局域网中的设备，集线器、交换机和路由器等，数据会进入到互联网，最终到达目标服务器。

服务器就会先取下数据包的 MAC 头部，查看是否匹配自己 MAC 地址。然后继续取下数据包的 IP 头，数据包中的目标 IP 地址和自己的 IP 地址匹配，再根据 IP 头中协议项，知道自己上层是 TCP 协议。之后，还要继续取下数据包 TCP 的头。完成一系列的顺序校验和状态变更后，TCP 头部里面还有端口号，此时我们的 HTTP 的 server 正在监听这个端口号，就把数据包再发给对应的 HTTP 进程。HTTP 进程从服务器中拿到对应的资源（HTML 文件），再交给操作系统对数据进行处理。然后再重复上面的过程，层层携带 TCP、IP、MAC 头部。接下来数据从网卡出去，到达客户端，再重复刚才的过程拿到相应数据。客户端拿到对应的 HTML 资源，浏览器就可以开始解析渲染了，这步操作完成后，用户最终就能通过浏览器看到相应的页面；

此时，客户端与服务端之间通过tcp协议维护了一个连接状态；若需要关闭，则进行四次挥手；

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