Web页请求的历程

在复习完计算机网络后,我们来总结一下一次完整的 Web 页请求历程。

通过对已经学过的协议做一个综合的、全面的展望,我们希望总结一下沿协议栈向下的旅程。而做这个“全面的”展望的一种方法是识别许多协议,这些协议涉及满足甚至最简单的请求: 下载一个 Web 页面。下图展示了我们的场景:一名学生 Bob 将他的便携机与学校的以太网交换机相连,下载一个 Web 页面(比如说 www.google.com)。如我们所知,为满足这个看起来简单的请求,背后隐藏了许多细节。

Web 页请求历程: 网络环境和动作

准备: DHCP、UDP、IP 和以太网

我们假定 Bob 启动他的便携机,然后将其用一根以太网电缆连接到学校的以太网交换机,交换机又与学校的路由器相连,如上图所示。学校的这台路由器与一个 ISP 相连,本例中 ISP 为 comcast.net。在本例中,comcast.net 为学校提供了 DNS 服务;所以,DNS 服务器驻留在 Comcast 网络中而不是在学校网络中。我们将假设 DHCP 服务器运行在路由器中,就像常见情况那样。
当 Bob 首先将其便携机与网络相连时,没有 IP 地址他就不能做任何事情。所以,Bob 的便携机所采取的一个网络相关的动作是 运行 DHCP 协议,以从本地 DHCP 服务器获得一个 IP 地址以及其他信息。

1. Bob 便携机上的操作系统生成一个 DHCP 请求报文,并将这个报文放入具有目的地端口 67(DHCP 服务器)和源端口 68(DHCP 客户)的 UDP 报文段。该 UDP 报文段则被放置在一个具有广播 IP 目的地址(255.255.255.255)和源 IP 地址(0.0.0.0)的 IP 数据报中,因为 Bob 的便携机还不具有一个 IP 地址。

2. 包含 DHCP 请求报文的 IP 数据报则被放置在 以太网帧 中。该以太网帧具有 目的 MAC 地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF, 使该帧将广播到与交换机连接的所有设备(如果顺利的话也包括 DHCP 服务器);该帧的 源 MAC 地址 是 Bob 便携机的 MAC 地址 00:16:D3:23:68:8A。

3. 包含 DHCP 请求的广播以太网帧是第一个由 Bob 便携机发送到以太网交换机的帧。该交换机在所有的出端口广播入帧,包括连接到路由器的端口。

4. 路由器在它的具有 MAC 地址 00:22:6B:45:1F 的接口接收到该广播以太网帧,该帧中包含 DHCP 请求,并且从该以太网帧中抽取出 IP 数据报。该数据报的广播 IP 目的地址指示了这个 IP 数据报应当由在该结点的高层协议处理,因此该数据报的载荷(一个 UDP 报文段)被分解向上到达 UDP,DHCP 请求报文从此 UDP 报文段中抽取出来。此时 DHCP 服务器有了 DHCP 请求报文。

5. 我们假设运行在路由器中的 DHCP 服务器能够以 CIDR 块 68.85.2.0/24 分配 IP 地址。所以本例中,在学校内使用的所有 IP 地址都在 Comcast 的地址块中。我们假设 DHCP 服务器分配地址 68.82.2.101 给 Bob 的便携机。DHCP 服务器生成包含这个 IP 地址以及 DNS 服务器的 IP 地址(68.87.71.226)、默认网关路由器的 IP 地址(68.85.2.1)和子网块(68.85.2.0/24)(等价为“网络掩码”)的一个 DHCP ACK 报文。该 DHCP 报文被放入一个 UDP 报文段中,UDP 报文段被放入一个 IP 数据报中,IP 数据报再被放入一个以太网帧中。这个以太网的源 MAC 地址是路由器连到归属网络时接口的 MAC 地址(00:22:6B:45:1F:1B),目的 MAC 地址是 Bob 便携机的 MAC 地址(00:16:D3:23:68:8A)。

6. 包含 DHCP ACK 的以太网帧由路由器发送给交换机。因为交换机是自学习的,并且先前从 Bob 便携机收到(包含 DHCP 请求的)以太网帧,所以该交换机直到寻址到 00:16:D3:23:68:8A 的帧仅从通向 Bob 便携机的输出端口转发。

7. Bob 便携机接收到包含 DHCP ACK 报文。Bob 的 DHCP 客户则记录下它的 IP 地址和它的 DNS 服务器的 IP 地址。它还在其 IP 转发表 中安装默认网关的地址。Bob 便携机将向该默认网关发送目的地址为其子网 68.85.2.0/24 以外的所有数据报。此时,Bob 便携机已经初始化好它的网络组件,并准备开始处理 Web 网页获取。

仍在准备:DNS、ARP

当 Bob 将 www.google.com 的 URL 键入其 Web 浏览器时,他开启了一长串事件,这将导致谷歌主页最终显示在其 Web 浏览器上。Bob 的 Web 浏览器通过生成一个 TCP套接字开始了该过程,套接字用于向 www.google.com 发送 HTTP请求。为了生成该套接字,Bob 便携机将需要知道 www.google.com 的 IP 地址。(DNS协议 将提供这种名字到 IP 地址的转换服务)

8. Bob 便携机上的操作系统因此生成一个 DNS 查询报文,将字符串 www.google.com 放入 DNS 报文段中。该 DNS 报文则放置在一个具有 53 号(DNS 服务器)目的端口的 UDP 报文段中。该 UDP 报文段则被放入一个具有 IP 目的地址 68.87.71.226(在第 5 步中 DHCP ACK 返回的服务器地址)和源 IP 地址 68.85.201 的 IP 数据报中。

9. Bob便携机则将包含 DNS 请求报文的数据报放入一个以太网帧中。该帧将发送(在链路层寻址)到 Bob 学校网络中的网关路由器。然而,即使 Bob 便携机未经过上述第 5 步中的 DHCP ACK 报文知道了学校网关路由器的 IP 地址(68.85.2.1),但仍不知道网关路由器的 MAC 地址。为了获得该网关路由器的 MAC 地址,Bob 便携机将需要使用 ARP 协议

10. Bob 便携机生成一个具有目的 IP 地址 68.85.2.1(默认网关)的 ARP 查询报文,将该 ARP 报文放置在一个具有广播目的地址(FF:FF:FF:FF:FF:FF)的以太网帧中,并向交换机发送该以太网帧,交换机将该帧交付给所有连接的设备,包括网关路由器。

11. 网关路由器在通往学校网络的接口上接收到包含该 ARP 查询报文的帧,发现 ARP 报文中目标 IP 地址 68.85.2.1 匹配其接口的 IP 地址。网关路由器因此准备一个 ARP 回答,指示它的 MAC 地址 00:22:6B:45:1F:1B 对应的 IP 地址 68.85.2.1。它将 ARP 回答放在一个以太网帧中,其目的地址为 00:16:D3:23:68:8A(Bob 便携机),并向交换机发送该帧,再由交换机将该帧交付给 Bob 便携机。

12. Bob 便携机接收包含 ARP 回答报文的帧,并从 ARP 回答报文中抽取网关路由器的 MAC 地址。

13. Bob 便携机现在能够使包含 DNS 查询的以太网帧寻址到网关路由器的 MAC 地址。注意到在该帧中的 IP 数据报具有 IP 目的地址 68.87.71.226(DNS 服务器),而该帧具有目的 MAC 地址 00:22:6B:45:1F:1B(网关路由器)。Bob 便携机向交换机发送该帧,交换机将该帧交付给网关路由器。

还在准备:域内路由选择到 DNS 服务器

14. 网关路由器接收该帧并抽取包含 DNS 查询的 IP 数据报。路由器查找该数据报的目的地址(68.87.71.226),并根据其转发表决定该数据报应当发送到上图中的 Comcast 网络中最左边的路由器。IP 数据报放置在链路层中,该链路适合将学校路由器连接到最左边 Comcast 路由器,并且该帧经这条链路发送。

15. 在 Comcast 网络中最左边的路由器接收到该帧,抽取 IP 数据报,检查该数据报的目的地址(68.87.71.226),并根据其转发表确定出接口,经过该接口朝着 DNS 服务器转发数据报,而转发表已根据 域内协议(RIP、OSPF) 以及 域间协议 BGP 所填写。

16. 最终包含 DNS 查询的数据报到达了 DNS 服务器。DNS 服务器抽取出 DNS 查询报文,在它的 DNS 数据库中查找名字 www.google.com,找到包含对应该名字的 IP 地址(64.233.169.105)的 DNS 源记录(假设它当前缓存在 DNS 服务器中)。该 DNS 服务器形成了一个包含这种主机名到 IP 地址映射的 DNS 回答报文,将该 DNS 回答报文放入 UDP 报文段中,该报文段放入寻址到 Bob 便携机的 IP 数据报中。该数据报将通过 Comcast 网络反向转发到学校的路由器,并从这里经过以太网交换机到 Bob 便携机。

17. Bob 便携机从 DNS 报文抽取出服务器 www.google.com 的 IP 地址。现在,Bob 便携机准备接触 www.google.com 服务器了!

Web 客户 — 服务器交互:TCP 和 HTTP

18. 既然 Bob 便携机有了 www.google.com 的 IP 地址,它能够生成 TCP 套接字,该套接字将用于向 google 服务器发送 HTTP GET 报文。当 Bob 生成该 TCP 套接字时, 在 Bob 便携机中的 TCP 必须首先与服务器端的 TCP 进行 三次握手。Bob 便携机因此首先生成一个具有目的端口 80(针对 HTTP 的)的 TCP SYN 报文段,将该 TCP 报文段放置在具有目的 IP 地址 64.233.169.105(www.google.com)的 IP 数据报中,将该数据报放置在 MAC 地址为网关路由器的帧中,并向交换机发送该帧。

19. 在学校网络、Comcast 网络和谷歌网络中的路由器朝着 www.google.com 转发包含 TCP SYN 的数据报,使用每台路由器中的转发表,如前面步骤 14~16 那样。前面讲过支配分组经 Comcast 和谷歌网络之间的域间链路转发的路由转发表项,是由 BGP 协议决定的。

20. 最终,包含 TCP SYN 的数据报到达 www.google.com。从数据报抽取出 TCP SYN 报文并分解到与端口 80 相联系的 Welcome 套接字。对于谷歌 HTTP 服务器和 Bob 便携机之间的 TCP 连接生成一个连接套接字。产生一个 TCP SYNACK 报文段,将其放入向 Bob 便携机寻址的一个数据报中,最后放入链路层帧中,该链路适合将 www.google.com 连接到其第一跳路由器。

21. 包含 TCP SYNACK 报文段的数据报通过谷歌、Comcast 和学校网络,最终到达 Bob 便携机的以太网卡。数据报在操作系统中分解到步骤 18 生成的 TCP 套接字,从而进入连接状态。

22. 借助于 Bob 便携机上的套接字,现在准备向 www.google.com 发送字节了,Bob 的浏览器生成包含要获取的 URL 和 HTTP GET 报文。HTTP GET 报文则写入套接字,其中 GET 报文成为一个 TCP 报文段的载荷。该 TCP 报文段放置进一个数据报中,并交付到 www.google.com,如前步骤 18~20 所示。

23. 在 www.google.com 的 HTTP 服务器从 TCP 套接字读取 HTTP GET 报文,生成一个 HTTP 响应报文,将请求的 Web 页内容放入 HTTP 响应体中,并将报文发送进 TCP 套接字中。

24. 包含 HTTP 回答报文的数据报通过谷歌、Comcast 和学校网络转发,到达 Bob 便携机。Bob 的 Web 浏览器程序从套接字读取 HTTP 响应,从 HTTP 响应体中抽取 Web 网页的 HTML, 并终于显示了 Web 网页。

总结

上面的过程真的涉及到了太多的网络基础!如果我们能够深刻理解上述内容的大多数,那我们的网络基础就不用愁啦!

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