【JS】一文串联 HTTP、TCP、IP、以太网
最近部门组织了一次前端性能优化交流会，大家从输入页面 URL 到最终页面展示内容这个过程提出了许多优化点。但同时发现很多同学对 HTTP 协议层的知识不能串联起来，于是整理了这篇文章，希望可以给大家带来一丝灵感。
当我们在页面上发起一个 AJAX 请求的时候，在网络协议层面都经历了哪些内容？
// 发起请求fetch('https://baidu.com')
// 协议层1...
// 协议层2...
// 协议层3...
.then(res=>
// 得到结果
console.log(res)
})
如上述代码所示，我们对 baidu.com 发起了一个网络请求，最终在 then 方法中得到了具体的响应内容。
使用 Wireshark 抓包结果如下：
图中可以看到，请求 baidu.com 时，首先通过 TCP 3 次握手建立连接，然后通过 HTTP 传输内容，最后通过 TCP 4 次挥手断开连接。
真实的过程更加复杂，我们主要分析以下几点：
建立连接阶段
- DNS 域名解析（应用层）
建立 TCP 连接（传输层）
- 通过 IP 寻址找到目标服务器（网络层）
- 通过 Mac 寻址找到服务器硬件接口（数据链路层）
- 通过网线向服务器硬件接口传输比特信息（物理层）
发送数据阶段
- 建立 SSL 安全连接（应用层）
- 发送 HTTP 请求（应用层）
建立连接阶段
要获取 baidu.com 的网页内容，就需要和 baidu 服务器建立连接，怎样建立这个连接呢？
- 通过 DNS 获取 baidu 的 IP 地址。
- 建立 TCP 连接。
DNS 域名解析
通过 DNS 解析，我们就能找到 baidu 服务器对应的 IP 地址。
如图：
经过 DNS 解析后，我们就能得到 baidu.com 的 IP 地址了：39.156.69.79 和 220.181.38.148，通常客户端会随机选中一个 IP 地址进行通信。
域名的解析步骤
其实 IP 不一定要通过 DNS 解析才能获取，它通常会被客户端缓存，只有在 DNS 缓存都没有命中的时候才会请求 DNS 服务器。
判断步骤如下：
- 判断浏览器是否有缓存 IP 地址。
- 判断本机是否有缓存该 IP 地址，如：检查 Host 文件。
- 判断本地域名解析服务器是否有缓存 IP 地址，如：电信，联通等运营商。
- 向 DNS 根域名解析服务器，解析域名 IP 地址。
- 向 DNS 二根域名解析服务器，解析域名 IP 地址。
- 以此类推，最终获得 IP 地址。
建立 TCP 连接
有了 IP 地址之后，客户端和服务器端就能建立连接了，首先是建立 TCP 连接。
TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
在这一层，我们传输的数据会按照一个个的字节装入报文中，当报文的长度达到最大分段（MSS）时，就会发送这个报文。如果传输的报文很长，可能会被拆分成多个 TCP 报文进行传输。
TCP 报文头如下：
我们主要看以下几点：
- 源端口、目的端口。
- 序列号：seq，报文的唯一标识。
- 确认号：ack，报文的确认标识，便于确认 seq 是否已经收到。
TCP 标记：
- SYN 为 1 表示这是连接请求或是连接接受请求。用于创建连接和同步序列号。
- ACK 为 1 表示确认号字段有效。注意这里大写的 ACK 只是一个标记，和确认号 ack 并不相同。
- FIN 为 1 表示要求释放连接。
- 窗口：表示发送方可以接收的字节数，即接收窗口大小，用于流量控制。
接下来，我们看一下 TCP 是怎样建立连接的？
如图所示，建立 TCP 连接需要 3 个步骤，俗称三次握手。
- 第一次握手：客户端向服务器端发送序列号 seq=x 的标识，表示开始建立连接。
第二次握手：服务器端回发一个 ack=x+1 的标识，表示确认收到第一次握手，同时发送自己的标识 seq=y。
- 客户端确认自己发出的数据能够被服务器端收到。
第三次握手：客户端发送 ack=y+1 的标识，标识确认收到第二次握手。
- 服务器端确认自己发出的数据能够被客户端收到。
经过了 3 次握手，即保证了客户端和服务器端都能正常发送和接收数据，TCP 连接也就建立成功了。
TCP 可靠传输原理
上文中说到，TCP 是可靠的传输，这是为什么呢？
这是因为 TCP 内部使用了 停止等待协议 ARQ ，它通过 确认 和 重传 机制，实现了信息的可靠传输。
例如：
- 客户端发送数据 M1
- 服务器端确认数据 M1 收到
- 客户端发送数据 M2
- 服务器端确认数据 M2 收到
- 依次类推 ...
在这期间，如果某一条数据很久都没有得到确认，客户端就会重传这条数据。这样一来，对于与每一次发送的数据，服务器端都得到了确认，即保证了数据的可靠性。
虽然 ARQ 可以满足数据可靠性，但每次只能发送和确认一个请求，效率太低了，于是就产生了连续 ARQ 协议。
连续 ARQ 协议 会连续发送一组数据，然后再批量等待这一组数据的确认信息，好比把单线程 ARQ 变成了多线程，大大提高了资源的利用效率。
如：
- 客户端发送数据 M1、M2、M3、M4。
- 服务器端确认数据 M4 收到，表示 M4 及之前的数据都收到了。
- 客户端发送数据 M5、M6、M7、M8。
- 服务器端确认数据 M8 收到，表示 M8 及之前的数据都收到了。
在这个流程中，服务器端不需要对每一个数据都返回确认信息，而是接收到多个数据时一并确认，这个方式叫做 累计确认。
这里有个疑问，TCP 的每一次握手，是怎么找到目的服务器呢？
答：通过 IP 协议。
根据 IP 协议找到目标服务器
IP 协议的目的是实现网络层的数据转发，它通过路由器不断跳转，最终把数据成功送达目的地。
上文中的每一次 TCP 握手以及数据交互，都是通过 IP 协议去传输的。
IP 报文头如下：
我们关注以下两点就可以了：
- 源 IP 地址
- 目的 IP 地址
发起一个 IP 请求执行流程如下：
- 构建 IP 请求头（源 IP、目标 IP）。
- IP 协议通过算法，计算出一条通往服务器端的路径。
- 发送端查询路由表，找出下一跳的 IP 地址（通常是路由器），并发送数据。
- 路由器查询路由表，找出下一跳的 IP 地址，并发送数据。
- 不断重复步骤 4，直到找到目的局域网。
- 发送数据。
例如：A 要向 G 发送 IP 数据。
具体流程如下：
A 生成 IP 头部（源 IP：A ，目的 IP：G）
- A 查询路由表，发现下一跳为 B，于是把数据传给 B。
B 生成 IP 头部（源 IP：A ，目的 IP：G）
- B 查询路由表，发现下一跳为 E，于是把数据传给 E。
E 生成 IP 头部（源 IP：A ，目的 IP：G）
- E 查询路由表，发现下一跳为 G，于是把数据传给 G。
- 到达目的地 G。
你是否有疑惑，为什么 IP 会按照这条路径向 G 传输数据呢？
其实，上图中的路径并非只有一条，我们通过 ABEG 到达了目的地 G，同样也可以通过 ABCFHG 到达 G，这两种路径都能完成任务，为什么 IP 不选择 ABCFHG 这条路径呢？
这就涉及到了 IP 寻址的算法。
IP 寻址算法
我们可以把网络中的所有计算机都看做是一个点，计算机之间的连接看做是一条线，这些点和线就组合成了一个图。
例如：
通过上图，我们就把复杂的网络转化成了数学问题。IP 寻址算法，其实就是图论中的最短路径的算法。
最短路径算法在 IP 协议中有 2 种实现：
RIP 协议
- 使用距离矢量算法，确保 IP 路由跳转的次数最小。
原理
- 每个节点中都保存有其他节点的位置信息（跳数和下一跳的 IP）。
- 通过和邻居节点进行数据交换，更新自己到目的地的最短距离，不断重复，即可得到起点到终点的最短路径。
- 实现简单，开销很小，适用于小型网络。
OSPF 协议
- 使用迪杰斯特拉算法，确保 IP 路由跳转的速度最快。
原理
- 从起始点开始，采用贪心算法的策略，每次遍历到始点距离最近且未访问过的顶点的邻接节点，直到扩展到终点为止。
- 适用于大型网络。
通过以上两个协议，我们就能找到通往目的地的路径了。
这里抛出一个问题：IP 数据是怎样从一个路由器跳到另一个路由器呢？
答：通过以太网协议。
通过 Mac 寻址找到服务器硬件接口
IP 协议主要是用来寻找最优路径的，具体的传输是由以太网协议来做的。
以太网属于数据链路层，它主要负责相邻设备的通信。原理是通过查询交换机 Mac 表，找到通信双方的物理接口，进而开始通信。
以太网报文头如下：
我们只用关心以下 3 个点：
- 源 Mac 地址
- 目的 Mac 地址
- 校验码 CRC：校验当前帧是否有效。
可以看到，以太网层都是通过 Mac 地址进行通信的，这里的 Mac 地址是哪里来的呢？
答：通过 ARP 协议。
ARP 协议 是一个通过解析 IP 地址来找寻 Mac 地址的协议。IP 地址转换成 Mac 地址后，就能进行以太网数据传输了。
例如：
当机器 A 向机器 C 发送数据时：
- A 构建以太网报文（源地址：A，目的地址：C），并通过网卡发出数据帧。
- 数据帧到达交换机 B，交换机取出目的地址 C 的 Mac 地址。
B 查询 Mac 表，根据目的地 Mac 地址，匹配 C 的硬件接口。
- 如果找到 C 的硬件接口，发送数据。
- 如果未找到 C 的硬件接口，向 B 直连的所有机器发送广播信息找 C，找到后会把 C 记录到 Mac 表中。
经过上述的流程，我们就找到了目的机器的硬件接口。
通过以太网协议，我们找到了目标机器的硬件接口，接下来要怎么发送信息呢？
答：通过物理层。
通过网线向服务器硬件接口传输比特信息
在没有 WiFi 的年代，我们只能通过插网线来进行上网，网线其实就是物理层的设备之一。
网线可以由多种材料组成，最常见的就是光纤和电缆。
光纤和电缆的传输原理类似，都是通过两个信号来模拟二进制数据的，一个信号即为一个比特。
- 电缆中：高电位表示 1 ，低点位表示 0。
- 光纤中：光亮表示 1，光熄灭表示 0。
如：在光纤中，我们通过观察光的闪动，即可得知传输的二进制数据。
有了这些物理设备，我们就能把复杂的数据转换成光信号或者电信号进行传输了。
发送数据阶段
发送数据可以分为两个步骤：
- 建立安全层 SSL
- 发送 HTTP 请求
建立安全层 SSL
本文的案例是发送一个 HTTPS 的请求，所以在发送数据之前，会创建一个 SSL 安全层，用于数据加密。
通常的加密方法有两种：
非对称加密
- A 有钥匙，B 没有钥匙，且他们都有一个公共的锁，B 给 A 发送数据时，都会先把数据锁起来再发送。
- 接收数据时，A 用钥匙解开锁，即可得到数据。除 A 以外，其他人没有钥匙，也就获取不到数据。
- 实现了单向通信加密。
对称加密
- A、B 双方都有一把相同的钥匙和一个公共的锁，每次发送数据时，都把数据放在锁里进行发送。
- 接收数据时，A、B 双方就用各自的钥匙来解锁。其他人没有钥匙，也就获取不到数据。
- 实现了双向通信加密。
互联网通信是双向的，所以我们需要使用对称加密，可是，怎样才能保证通信双方都有一把相同的钥匙呢？
目前的解决方案：
- 先使用非对称加密，进行秘钥协商，让通信双方拿到相同的钥匙。
- 然后使用对称加密，进行加密传输。
秘钥协商过程如图：
图中划重点：
- 客户端发送自身支持的加密算法。
- 服务器端选择一种加密算法，同时返回数字证书。
- 客户端确认证书有效。
- 客户端生成随机数，并使用证书中的服务器公钥加密，然后发送给服务器。
- 服务器端使用私钥解密，获得随机数。
- 双方使用第 2 步确定的加密算法，把随机数进行加密，即可获得相同的对称加密秘钥。
Ok，秘钥协商之后，我们的 SSL 安全层也就建好了。
秘钥协商时存在一个问题：
数字证书重点关注 2 个部分：
- 服务器公钥
- 数字签名
其中，数字签名又是由服务器公钥和证书私钥加密生成的，目的是为了防止服务器公钥被篡改。
有了数字证书，客户端就能通过验证证书，来判断服务器是否是真正的服务器了。
验证逻辑如下：
可以看到，数字证书通过同样的算法进行解密，如果得到相同的信息摘要，就能保证数据是有效的，如果不一致，则会验证失败，拒绝后续的请求。
到这里为止，所有的准备工作都就绪了，接下来才是发送 HTTP 请求。
发送 HTTP 请求
HTTP 协议其实就是制定了一个通信规则，规定了客户端和服务器之间的通信格式。
以请求 baidu 首页为例：
如上图所示，发起 HTTP 请求时，必须遵守以下规则：
- 请求方法（必填）
GET - 请求地址（必填）
/ - HTTP 协议版本（必填）
1.1 - 其他 HTTP 头部字段（可选）
Host、User-Agent、Accept - 请求参数，放在空行后面（可选）
服务器响应请求时，同样遵守了 HTTP 响应规则：
- HTTP 协议版本（必填）
1.1 - 响应状态码（必填）
200 - 状态码描述（必填）
OK - 其他 HTTP 头部字段（可选）
Date、Server、ETag、Last-Modified等 - 请求参数，放在空行后面（可选）
只要我们遵守这个规则，就能进行 HTTP 通信了。
到目前为止，我们已经分析完成了数据请求的所有过程，你是否都理解了呢？
思考与总结
本文通过一个网络请求，对整个 HTTP、TCP、IP、以太网等协议进行了流程化分析，最后再梳理一下：
- 请求 baidu.com。
- DNS 解析 baidu.com，得到 IP 地址。
- 建立 TCP 连接。
- IP 协议通过算法，计算出一条通往服务器最优路径。
- IP 沿着路径跳转时，会通过 ARP 协议把 IP 地址转换成 Mac 地址。
- 以太网通过 Mac 地址，找到通信双方的硬件接口。
- 物理层通过网线作为载体，在两个硬件接口之间传输比特信号。
- TCP 连接建立完毕。
- 建立 SSL 安全层。
- 发送 HTTP 请求。
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