计算机网络学习（十三）Web 页面请求的历程

回顾：Web 页面请求的历程

• 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 主页)
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总结

1. 一台电脑新加入网络需要 IP 地址，靠 DHCP 协议获得自己的 IP 地址
2. 靠 DNS 解析域名获得目的 IP 地址
3. TCP 三次握手建立进程之间的连接

1. 准备: DHCP、 UDP、 IP 和以太网

• 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 ， 交换机与学校的路由器相连。学校的路由器与一个 ISP 连接， 本例中 ISP 为 comcast.net ，为学校提供了 DNS 服务 ; 所以，DNS 服务器驻留在 comcast.net 网络中而不是学校网络中。 我们将假设 DHCP 服务器运行在路由器中。
• 当 Bob 首先将其便携机与网络连接时，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 DRHP 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 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 lP 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
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，该帧包含 DHCP 请求，并且从该帧中抽取出 IP 数据报，该数据报的载荷被分解向上到达 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. 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，在学校内使用的所有 IP 地址都在 Comcast 的地址块中。 假设 DHCP 服务器分配地址 68.85.2.101 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、 IP 数据报中、以太网帧中。 这个以太网帧的源 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） 时，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，所以该交换机知道寻址到 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 的以太网帧，从该以太网帧中抽逐层最终抽取 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。

2. 仍在准备: DNS 和 ARP

• 当 Bob 将 www.google.com 的 URL 键入其 Web 浏览器时，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，使用 DNS 协议提供这种名字到 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，将字符串附 www. google. com 放入 DNS 报文的问题段中。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，再被放入具有 IP 目的地址 68.87.71. 226 (在 第 5 步中 DHCP ACK 返回的 DNS 服务器地址)和源 IP 地址 68.85.2.101 的 IP 数据报中
9. Bob 便携机将该数据报放入一个以太网帧。 该帧将发送 (在链路层寻址)到学校网络中的网关路由器。 然而，即使 Bob 便携机经过上述第 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) ，但仍不知道该网关路由器的 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，放置在一个具有广播目的地址的以太网帧，并向交换机发送，交换机将原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读 ARP 查询报文的帧，发现在 ARP 报文中目标 IP 地址匹配其接口的 IP 地址。因此准备一个 ARP 回答，指示它的 MAC 地址 00:22:6B:45:1F:1B 对应 IP 地址 68.85.2. 1。 它将 ARP 回答放 在一个以太网帧，其目的地址为 (Bob 便携机) ，并向交换机发送该帧，交换机将帧交付给 Bob 便携机。
12. Bob 便携机接收包含 ARP 回答报文的帧，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) , 而该帧具有目的地 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。

3. 仍在准备: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 (68.87.7 1. 226). 并根据其转发表决定该数据报应当发送到 Comcast 网络中最左边的路由器。 lP数据报放置在链路层帧，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，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 Comcast 的域内协议(RIP、 OSPF)以及因特网的域间协议 BGP 所填写
16. 最终包含 DNS 查询的 IP 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 www.google.com 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)这种缓存数据源于 google. com 的权威 DNS 服务器。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 Boh 便携机 (68.85.2. 101 )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。 最终，Bob 便携机此时准备接触 www.google.com 服务器!

4. Web 客户-服务器交互: TCP 和 HTTP

18. 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 www.google.com 发送 HTTP GET 报文 。Bob 生成 TCP 套接字时，在 Bob 便携机中的 TCP 必须首先与 www.google.com 中的 TCP 执行三次握手。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 00:22:6B:45:1F: 1B (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。 前面讲过支配分组经 Comcast 和谷歌网络之间域间链路转发的路由器转发表项，是由 BGP 协议定的
20. 最终，包含 TCP SYN 的数据报到达 www. googole. com。 从数据报抽取出 TCP SYN 报文并分解到与端口 80 相联系的欢迎套接字。 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，最后放人链路层帧，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 的 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，交付到 www.google.com ，如前面步骤 18 -20 所述。
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，终于显示了 Web 网页。

• 上述例子看起来是尽可能详尽 ，但是我们已经忽略了一些可能的附加协议(例如，运行在学校网关路由器中的 NAT，到学校网络的无线接入，接入学校网络或对报文段或数据报加密的安全协议， 网络管理协议) ，以及人们将会在公共因特网中遇到的一些考虑 (Web 缓存， DNS 等级体系) 。