一道面试题了解计算机网络

本文是我在公司做的计算机网络知识的分享，特整理成文章供以后学习。本文内容大部分来自网上，并非完全原创，参考链接已经放到文章结尾处。

今天分享的主题是计算机网络。

我们先从一个经典的面试题开始讲起。当我们输入URL，按下回车发生了什么？例如https://www.baidu.com

这是一个网址，浏览器的第一步是就是把网址解析成URL。这里我们讲第一个概念。

网址指因特网上网站的地址。将一些信息储存在网站上，所有开放资源都有一个相应的接口，以便其他用户访询而获取信息资料，这样的地址叫做网站地址。如果要从一台计算机访问网上另一台计算机，就必须知道对方的网址。这里所说的网址实际上指两个内涵，即IP和域名。通用网址、域名、网站地址的三者是不同的概念，最基础的是域名。注册一个通用网址，你必须先要注册你的域名，提交给注册服务机构，这样通用网址就可以指向你提供的网站地址。

解析URL

网站地址是用将通向网站的地址用所属互联网类型（如最常见的www(万维网)等）访问协议+域名的形式表达出来。

url是统一资源定位符，对可以从互联网上得到的资源的位置和访问方法的一种简洁的表示，是互联网上标准资源的地址。互联网上的每个文件都有一个唯一的URL，它包含的信息指出文件的位置以及浏览器应该怎么处理它。

URL地址的格式为协议://用户名:密码@子域名.域名.顶级域名:端口号/目录/文件名.文件后缀?参数=值#标志。

我们从URL的地址就可以知道要传输的数据的协议类型，端口号，目标文件等。但是目前浏览器的地址栏中的地址还不是URL，因为我们通过www.baidu.com 这样的字符串获取到目标的IP。这时候我们需要DNS解析了。

DNS解析

不知道大家有没有做过自己的网站。我第一次做网站的时候，在万网注册了一个域名www.gaoyakang.tk，并给了我一个DNS服务器的地址。但是这时候我并不能发布我的网站代码，万网的帮助中心说了我需要一个服务器来发布网站。于是我到阿里云上买了一个服务器，把我网站的源代码放在了上面。这时候阿里云提示我要做一个DNS解析，因为现在服务器指向的是阿里默认的域名。于是我按照提示，在我的服务器上填上了我域名和DNS服务器值，然后输入我的域名之后就可以访问到网站了。

我们反过来看刚才那一个步骤，浏览器对于这个网址首先要去浏览器的缓存中查找对应的IP地址，如果没有再去本机系统的Hosts文件中查找对应的IP地址，如果没有就去路由器中查找，如果还是没有就去DNS服务器中去找到这个域名对应的IP地址。经过这一系列的步骤我们拿到了最终的IP地址。

IP协议

IP地址对应的是IP协议，我们讲第二个概念。

IP协议是将多个包交换网络连接起来，它在源地址和目的地址之间传送一种称之为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。 IP不提供可靠的传输服务，它不提供端到端的或（路由）结点到（路由）结点的确认，对数据没有差错控制，它只使用报头的校验码，它不提供重发和流量控制。如果出错可以通过ICMP报告，ICMP在IP模块中实现。

IP报文.jpg

IP协议的报文如图所示。在TCP/IP报文中IP报文是包住TCP报文的

IP数据报分配

标识、标志、分偏移这三个字段帮助标识由IPv4主机发送的数据报，这三个字段对实现分片很重要。因为大多数数据链路层不支持过长的IP数据报，所以要把IP数据报分片，分片之后的数据报每一片都是一个独立的ipv4数据报。

发送主机每次发送数据报都讲一个“内部计数器”加1，然后将数值复制“标识”字段中。

ARP地址解析

现在我们有了IP地址，我们知道我需要请求的资源在什么地方了，但是数据并不会直接根据IP就能直接到服务器。IP地址类似于收货地址，只有收货地址我们当然收不到快递了。我们需要知道去到这个地址应该走什么样的路线。那么这时候起作用的就是ARP协议了。

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址

发送ARP请求，我们需要有一个目标IP地址，同时还需要知道用于发送ARP广播的接口的Mac地址。每个网络设备都有一个MAC地址，用来唯一标识一台设备。APR解析的工作过程大致如下：

首先查询ARP缓存，如果缓存命中，我们返回结果：目标IP = MAC

如果缓存没有命中，就进行如下操作：
查看路由表，看看目标IP地址是不是在本地路由表中的某个子网内。是的话，使用跟那个子网相连的接口，否则使用与默认网关相连的接口。
查询选择的网络接口的MAC地址
我们发送一个二层ARP请求：

在TCP/IP协议报文中，MAC地址是在Ethenet帧头里面的。

现在我们有了DNS服务器或者默认网关的IP地址，我们可以继续DNS请求了：

使用53端口向DNS服务器发送UDP请求包，如果响应包太大，会使用TCP协议
如果本地/ISP DNS服务器没有找到结果，它会发送一个递归查询请求，一层一层向高层DNS服务器做查询，直到查询到起始授权机构，如果找到会把结果返回。

使用套接字

当浏览器得到了目标服务器的IP地址，以及URL中给出来端口号（http协议默认端口号是80， https默认端口号是443），它会调用系统库函数 socket ，请求一个TCP流套接字，对应的参数是 AF_INET 和 SOCK_STREAM 。

这个请求首先被交给传输层，在传输层请求被封装成TCP segment。目标端口会被加入头部，源端口会在系统内核的动态端口范围内选取（Linux下是ip_local_port_range)
TCP segment被送往网络层，网络层会在其中再加入一个IP头部，里面包含了目标服务器的IP地址以及本机的IP地址，把它封装成一个TCP packet。
这个TCP packet接下来会进入链路层，链路层会在封包中加入frame头部，里面包含了本地内置网卡的MAC地址以及网关（本地路由器）的MAC地址。像前面说的一样，如果内核不知道网关的MAC地址，它必须进行ARP广播来查询其地址。

到了现在，TCP封包已经准备好了，可以进行传输了。

数据包传输

通常情况下，封包会从本地计算机出发，经过本地网络，再通过调制解调器(modem)把数字信号转换成模拟信号，使其适于在电话线路，有线电视光缆和无线电话线路上传输。在传输线路的另一端，是另外一个调制解调器，它把模拟信号转换回数字信号，交由下一个网络节点处理。

最终封包会到达管理本地子网的路由器。在那里出发，它会继续经过自治区域的边界路由器和其他自治区域，最终到达目标服务器。一路上经过的这些路由器会从IP数据报头部里提取出目标地址，并将封包正确地路由到下一个目的地。IP数据报头部TTL域的值每经过一个路由器就减1，如果封包的TTL变为0，或者路由器由于网络拥堵等原因封包队列满了，那么这个包会被路由器丢弃。

上面的发送和接受过程在TCP连接期间会发生很多次。

建立TCP连接

在TCP连接之前我们先看一下TCP报文的格式:

TCP报文.jpg

TCP首部一些重要字段：
序号(ISN)：用于标识每个报文段，使目的主机可确认已收到指定报文段中的数据。当源主机用于多个报文段发送一个报文时，即使这些报文到达目的主机的顺序不一样，序列号也可以使目的主机按顺序排列它们。

同步(SYN)：仅在三次握手建立 TCP 连接时有效。当 SYN = 1 而 ACK = 0 时，表明这是一个连接请求报文段，对方若同意建立连接，则应在相应的报文段中使用 SYN = 1 和 ACK = 1。因此，SYN 置 1 就表示这是一个连接请求或连接接受报文。

终止(FIN)：用来释放一个连接。当 FIN = 1 时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接。

数据包到达客户端后需要建立连接。TCP连接过程就是著名的三次握手。

客户端选择一个初始序列号(ISN)，将设置了SYN位的封包发送给服务器端，表明自己要建立连接并设置了初始序列号
服务器端接受到SYN包
服务器端选择它自己的初始序列号服务器端设置SYN位，表明自己选择了一个初始序列号服务器端把 (客户端ISN + 1) 复制到ACK域，并且设置ACK位，表明自己接收到了客户端的第一个封包
客户端通过发送下面一个封包来确认这次连接：自己的序列号+1接收端ACK+1设置ACK位

数据通过下面的方式传输：
当一方发送了N个Bytes的数据之后，将自己的SEQ序列号也增加N另一方确认接收到这个数据包（或者一系列数据包）之后，它发送一个ACK包，ACK的值设置为接收到的数据包的最后一个序列号

关闭连接的过程就是也很著名的四次握手：
要关闭连接的一方发送一个FIN包另一方确认这个FIN包，并且发送自己的FIN包要关闭的一方使用ACK包来确认接收到了FIN。

HTTP服务器请求处理

HTTPD(HTTP Daemon)在服务器端处理请求/相应。最常见的 HTTPD 有 Linux 上常用的 Apache 和 nginx，与 Windows 上的 IIS。

HTTPD接收请求
- 服务器把请求拆分为以下几个参数：
  HTTP请求方法(GET, POST, HEAD, PUT 和 DELETE )。在访问百度这种情况下，使用的是GET方法域名：baidu.com请求路径/页面：/ (我们没有请求baidu.com下的指定的页面，因此 / 是默认的路径)
服务器验证其上已经配置了baidu.com的虚拟主机
服务器验证baidu.com接受GET方法
服务器验证该用户可以使用GET方法(根据IP地址，身份信息等)
如果服务器安装了 URL 重写模块（例如 Apache 的 mod_rewrite 和 IIS 的 URL Rewrite），服务器会尝试匹配重写规则，如果匹配上的话，服务器会按照规则重写这个请求
服务器根据请求信息获取相应的响应内容，这种情况下由于访问路径是 "/" ,会访问首页文件。(你可以重写这个规则，但是这个是最常用的)
服务器会使用指定的处理程序分析处理这个文件，比如假设baidu使用Java，服务器会使用Java解析index文件，并捕获输出，把Java的输出结果给请求者。

最终浏览器会把HTML文档的结果渲染到浏览器的界面上。