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  • 浏览器从输入到输出的过程与原理五之网络通信和三次握手

    1. 网络通信和三次握手

    我们已经知道,网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构,基本上是下面这样:

    image

    发送这个包,需要知道两个地址:对方的MAC地址、对方的IP地址。有了这两个地址,数据包才能准确送到接收者手中。但是,前面说过,MAC地址有局限性,如果两台电脑不在同一个子网络,就无法知道对方的MAC地址,必须通过网关(gateway)转发。

    image

    上图中,1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络,结果发现不是(后文介绍判断方法),于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议,发现4号电脑位于子网络B,又把数据包发给网关B,网关B再转发到4号电脑。

    1号电脑把数据包发到网关A,必须知道网关A的MAC地址。所以,数据包的目标地址,实际上分成两种情况:

    场景 数据包地址
    同一个子网络 对方的MAC地址,对方的IP地址
    非同一个子网络 网关的MAC地址,对方的IP地址

    发送数据包之前,电脑必须判断对方是否在同一个子网络,然后选择相应的MAC地址。

    接下来,我们要判断,这个IP地址(比如www.Google.com对应的IP地址)与本机IP地址是不是在同一个子网络,这就要用到子网掩码。

    已知子网掩码是255.255.255.0,本机用它对自己的IP地址192.168.1.100,做一个二进制的AND运算(两个数位都为1,结果为1,否则为0),计算结果为192.168.1.0;然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算,计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等,所以结论是,Google与本机不在同一个子网络。

    因此,我们要向Google发送数据包,必须通过网关192.168.1.1转发,也就是说,接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

    1.1 应用层协议

    浏览网页用的是HTTP协议,它的整个数据包构造是这样的:

    image

    HTTP部分的内容,类似于下面这样:

    GET / HTTP/1.1
    Host: www.google.com
    Connection: keep-alive
    User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......
    Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
    Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
    Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
    Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
    Cookie: ... ...
    

    我们假定这个部分的长度为4960字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

    TCP数据包需要设置端口,接收方(Google)的HTTP端口默认是80,发送方(本机)的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数,假定为51775。

    TCP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入HTTP的数据包,总长度变为4980字节。

    然后,TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址,这是已知的,发送方是192.168.1.100(本机),接收方是172.194.72.105(Google)。

    IP数据包的标头长度为20字节,加上嵌入的TCP数据包,总长度变为5000字节。

    最后,IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址,发送方为本机的网卡MAC地址,接收方为网关192.168.1.1的MAC地址(通过ARP协议得到)。

    以太网数据包的数据部分,最大长度为1500字节,而现在的IP数据包长度为5000字节。因此,IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头(20字节),所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

    image

    1.2 服务器端响应

    经过多个网关的转发,Google的服务器172.194.72.105,收到了这四个以太网数据包。

    根据IP标头的序号,Google将四个包拼起来,取出完整的TCP数据包,然后读出里面的"HTTP请求",接着做出"HTTP响应",再用TCP协议发回来。

    1.3 三次握手

    TCP是主机对主机层的传输控制协议,提供可靠的连接服务,采用三次握手确认建立一个连接:

    位码即tcp标志位,有6种标示:SYN(synchronous建立联机)、ACK(acknowledgement 确认)、PSH(push传送)、FIN(finish结束) 、RST(reset重置) 和URG(urgent紧急)。

    Sequence number(顺序号码) Acknowledge number(确认号码)

    image

    第一次握手:主机A发送位码为syn=1,随机产生seq number=1234567的数据包到服务器,主机B由SYN=1知道,A要求建立联机;

    第二次握手:主机B收到请求后要确认联机信息,向A发送ack number=(主机A的seq+1),syn=1,ack=1,随机产生seq=7654321的包

    第三次握手:主机A收到后检查ack number是否正确,即第一次发送的seq number+1,以及位码ack是否为1,若正确,主机A会再发送ack number=(主机B的seq+1),ack=1,主机B收到后确认seq值与ack=1则连接建立成功。

    完成三次握手,主机A与主机B开始传送数据。

    6.4 总结

    通过互联网和通信等的学习,我们可以知道,浏览器(本地主机)通过这些内容与目标服务器(远程主机)建立通信并交换数据,而浏览器是基于HTTP协议进行通信。

    下面将基于服务器返回的数据,浏览器是如何解析和渲染的来进行叙述。

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