如何通过浏览器上网

当我们在网页浏览器(Web browser)的地址栏中输入 URL 时,Web 页面是如何呈现的吗?

Web 页面当然不能凭空显示出来。根据 Web 浏览器地址栏中指定的 URL,Web 浏览器从 Web 服务器端获取文件资源(resource)等信息,从而显示出 Web 页面。像这种通过发送请求获取服务器资源的 Web 浏览器等,都可称为客户端(client)。

Web 使用一种名为 HTTP(HyperText Transfer Protocol,超文本传输协议)的协议作为规范,完成从客户端到服务器端等一系列运作流程。而协议是指规则的约定,可以说,Web 是建立在 HTTP 协议上通信的。

超文本传输协议(HTTP,HyperText Transfer Protocol) 是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的 WWW 文件都必须遵守这个标准。设计 HTTP 最初的目的是为了提供一种发布和接收 HTML 页面的方法。1960 年美国人 Ted Nelson 构思了一种通过计算机处理文本信息的方法,并称之为超文本(hypertext),这成为了 HTTP 超文本传输协议标准架构的发展根基。Ted Nelson 组织协调万维网协会(World Wide Web Consortium)和互联网工程工作小组(Internet Engineering Task Force )共同合作研究,最终发布了一系列的 RFC,其中著名的 RFC 2616 定义了 HTTP 1.1。

诞生

HTTP 的出生时间是 1989 年 3 月,那时候互联网还属于少数人。

CERN(欧洲核子研究组织)的蒂姆 • 伯纳斯 - 李(Tim BernersLee)博士提出了一种能让远隔两地的研究者们共享知识的设想。

最初设想的基本理念是:借助多文档之间相互关联形成的超文本(HyperText),连成可相互参阅的 WWW(World Wide Web,万维网)。

现在已提出了 3 项 WWW 构建技术,分别是:把 SGML(Standard Generalized Markup Language,标准通用标记语言)作为页面的文本标记语言的 HTML(HyperText Markup Language,超文本标记语言);作为文档传递协议的 HTTP ;指定文档所在地址的 URL(Uniform Resource Locator,统一资源定位符)。

WWW 这一名称,是 Web 浏览器当年用来浏览超文本的客户端应用程序时的名称。现在则用来表示这一系列的集合,也可简称为 Web。

1990 年 11 月,CERN 成功研发了世界上第一台 Web 服务器和 Web 浏览器。

成长

HTTP/0.9

HTTP 于 1990 年问世。那时的 HTTP 并没有作为正式的标准被建立。现在的 HTTP 其实含有 HTTP1.0 之前版本的意思,因此被称为 HTTP/0.9。

HTTP/1.0

HTTP 正式作为标准被公布是在 1996 年的 5 月,版本被命名为 HTTP/1.0,并记载于 RFC1945。虽说是初期标准,但该协议标准至今仍被广泛使用在服务器端。

HTTP/1.1

1997 年 1 月公布的 HTTP/1.1 是目前主流的 HTTP 协议版本。当初的标准是 RFC2068,之后发布的修订版 RFC2616 就是当前的最新版本。

TCP/IP 简介

为了理解 HTTP,我们有必要事先了解一下 TCP/IP 协议族。通常使用的网络(包括互联网)是在 TCP/IP 协议族的基础上运作的。而 HTTP 属于它内部的一个子集。

计算机与网络设备要相互通信,双方就必须基于相同的方法。比如,如何探测到通信目标、由哪一边先发起通信、使用哪种语言进行通信、怎样结束通信等规则都需要事先确定。不同的硬件、操作系统之间的通信,所有的这一切都需要一种规则。而我们就把这种规则称为协议(protocol)。

TCP/IP 协议族

分层管理

TCP/IP 协议族里重要的一点就是分层。TCP/IP 协议族按层次分别分为以下 4 层:应用层、传输层、网络层和数据链路层。

分层的好处:若某个地方需要改变设计时,不需要把所有部分整体替换掉,只需把变动的层替换掉即可。把各层之间的接口部分规划好之后,每个层次内部的设计就能够自由改动了。

应用层

应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

TCP/IP 协议族内预存了各类通用的应用服务。比如,FTP(File Transfer Protocol,文件传输协议)和 DNS(Domain Name System,域名系统)。HTTP 协议也处于该层。

传输层

传输层为应用层,提供处于网络连接中的两台计算机之间的数据传输。

在传输层有两个性质不同的协议:TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)和 UDP(User Data Protocol,用户数据报协议)。

TCP 提供可靠的字节流服务。所谓的字节流服务(Byte Stream Service)是指,为了方便传输,将大块数据分割成以报文段(segment)为单位的数据包进行管理。而可靠的传输服务是指,能够把数据准确可靠地传给对方。简单来说,TCP 协议为了更容易传送大数据才把数据分割,而且 TCP 协议能够确认数据最终是否送达到对方。而为了准确无误地将数据传输到目标,TCP 采用了三次握手策略。

网络层

网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎样的路径(所谓的传输路线)到达对方计算机,并把数据包传送给对方。

与对方计算机之间通过多台计算机或网络设备进行传输时,网络层所起的作用就是在众多的选项内选择一条传输路线。

负责传输的 IP 协议

IP(Internet Protocol)网际协议位于网络层。需要注意的是可“IP”和“IP 地址”的区别,“IP”其实是一种协议的名称。

IP 协议的作用是把各种数据包传送给对方。其中两个重要的条件是 IP 地址和 MAC 地址(Media Access Control Address)。

IP 地址指明了节点被分配到的地址,MAC 地址是指网卡所属的固定地址。IP 地址可以和 MAC 地址进行配对。IP 地址可变换,但 MAC 地址基本上不会更改。基本上各大网卡制作厂商都被预制分配了 MAC 地址区间段。

IP 间的通信依赖 MAC 地址。在网络上,通信的双方在同一局域网(LAN)内的情况是很少的,通常是经过多台计算机和网络设备中转才能连接到对方。而在进行中转时,会利用下一站中转设备的 MAC 地址来搜索下一个中转目标。这时,会采用 ARP 协议(Address Resolution Protocol)。ARP 是一种用以解析地址的协议,根据通信方的 IP 地址就可以反查出对应的 MAC 地址。

在到达通信目标前的中转过程中,那些计算机和路由器等网络设备只能获悉很粗略的传输路线。这种机制称为路由选择(routing)。

路由选择

数据链路层

用来处理连接网络的硬件部分。包括控制操作系统、硬件的设备驱动、NIC(Network Interface Card,网络适配器,即网卡),及光纤等物理可见部分(还包括连接器等一切传输媒介)。

硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。

在数据链路层还有一个常见的网络协议 LLDP。了解更多可以查看《数据链路层之 LLDP》。

通信传输流

TCP/IP 通信传输流

为了更好的理解上图,我们使用 HTTP 🌰 说明。

HTTP 通信
  1. 作为发送端的客户端在应用层(HTTP 协议)发出一个想看某个 Web 页面的 HTTP 请求。
  2. 在传输层(TCP 协议)把从应用层处收到的数据(HTTP 请求报文)进行分割,并在各个报文上打上标记序号及端口号后转发给网络层。
  3. 在网络层(IP 协议),增加作为通信目的地的 MAC 地址后转发给链路层。这样一来,发往网络的通信请求就准备齐全了。
  4. 接收端的服务器在链路层接收到数据,按序往上层发送,一直到应用层。当传输到应用层,才能算真正接收到由客户端发送过来的 HTTP 请求。

发送端在层与层之间传输数据时,每经过一层时必定会被打上一个该层所属的首部信息。反之,接收端在层与层传输数据时,每经过一层时会把对应的首部消去。这种把数据信息包装起来的做法称为封装(encapsulate)。

DNS 简述

DNS(Domain Name System)服务是和 HTTP 协议一样位于应用层的协议。它提供域名到 IP 地址之间的解析服务。

计算机既可以被赋予 IP 地址,也可以被赋予主机名和域名。🌰 www.chars.tech。

用户通常使用主机名或域名来访问对方的计算机,而不是直接通过 IP 地址访问。因为与 IP 地址的一组纯数字相比,用字母配合数字的表示形式来指定计算机名更符合人类的记忆习惯。

但要让计算机去理解名称,相对而言就变得困难了。因为计算机更擅长处理一长串数字。为了解决上述的问题,DNS 服务应运而生。DNS 协议提供通过域名查找 IP 地址,或逆向从 IP 地址反查域名的服务。

DNS 服务

访问网站

至此,大致可以回答开篇的问题了,我们在浏览器输入框中输入想浏览的网页地址之后,发生了哪些事情呢?

HTTP 浏览网页
  1. 客户端发起页面网址请求给 DNS。
  2. DNS 解析出对应 IP 地址返回给客户端。
  3. 客户端填充请求 IP 地址。
  4. 客户端根据 HTTP 交互封装请求数据包。
  5. 请求数据包经过路由机制到达目的地址。
  6. 目的地址服务器返回数据给客户端。

写在最后

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