概述

网络通信的过程十分复杂，本文只简单分析网络通信的过程以及相关的协议概述，从最常见的例子：”从浏览器输入url至呈现整个页面”。分析整个网络通信的过程，希望能对网络通信有个总体的认识，网络通信的整体认识对我们理解网络有非常大的帮助。由于文章过长，我将分为多个章节描述，如若描述有误，敬请指正。

在分析网络通信之前，我们不妨好好思考一下这个问题？

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当我们在浏览器输入www.qq.com，点击Enter，至页面呈现，其中发生了什么？

url

这涉及到整个Internet通信的过程，涉及的范围非常大，我粗略归结为以下几个过程：

  • DNS域名解析
  • 确定接收方MAC地址
  • TCP连接
  • HTTP请求
  • 浏览器渲染页面

在分析该过程之前，我们先了解一些网络的基本知识以及相关协议。

网络模型

网络可分为七层，四层或者五层模型，这里我们将网络分为五层，网络五层模型，如下图：
Internet
自上而下，分别为应用层，传输层，网络层，链接层和实体层（物理层），每层都有相关的协议和功能，并且都需要下一层的支持。他们的功能及依赖关系，我们可以大概了解，如图(点击放大)：
Internet Detail

  1. 应用层HTTP协议的通信请求，规定应用程序的数据格式，基于传输层TCP协议的TCP连接

  2. 传输层的TCP连接，负责传输数据包，基于网络层的IP协议分配IP地址连通网络和链接层的MAC地址(网卡地址)确认接收主机

  3. 网络层的数据发送，基于链接层将实体层发出的电信号分组并解读，并通过ARP协议利用IP地址获取到MAC地址(网卡地址)

  4. 实体层（物理层），就是电脑间链接的介质，比如光纤，电缆等等，主要负责传送0和1的电信号

由此，我们不难得出Internet通信的前提是必须知道双方的IP地址和MAC地址(网卡地址，以太网的物理地址)，IP地址负责确定接收方的子网，MAC地址负责确定接收方的主机地址。

MAC地址

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须要有一块网卡，因为数据包必须从一块网卡传送到另一块网卡，而网卡的地址，就是数据包发送和接收的地址，这就叫做MAC地址。

每块网卡都拥有一个全世界唯一的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。如图：
MAC地址

IP地址

Internet通信的前提是必须知道双方的IP地址和MAC地址，己方的MAC地址是必然知道的，但是IP地址是否知道却分为两种情况：

  • 静态IP地址
  • 动态IP地址

静态IP地址

静态IP地址需要用户自己专门设置，如图
静态IP地址

  • IP地址 – 互联网的协议地址

  • 子网掩码 – 用于判断两个IP地址是否在同一个子网络中

  • 默认网关 – 连接两个不同的子网络，转换协议

  • DNS服务器 – 用于DNS解析，将域名解析为IP地址

以上的四个参数缺一不可，使用手动设置的参数，每次计算机开机都可以使用相同的IP地址（如图使用的固定IP地址是：192.168.0.198）上网，所以这种情况被称为：”静态IP地址上网”，但是这样的设置是极少数人会做的，大多数人使用的都是”动态IP地址上网”。

注：通用的公共DNS服务器有Google的8.8.8.8和国内的114.114.114.114，当然也可以使用运营商提供的DNS服务器。

动态IP地址

动态IP地址，是每台计算机默认采用的上网方式，不需要用户手动设置，每次开机会自动分配一个IP地址，如图
动态IP地址
动态分配IP地址，会使用到DHCP协议，该协议规定在每个子网络中都会一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，该计算机叫做“DHCP服务器”，每台计算机开机时候都会向“DHCP服务器”发送一个“DHCP请求”数据包，申请IP地址和相关的网络参数（子网掩码，默认网关和DNS服务器等等）。但是问题来了。。。

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DHCP服务器的MAC地址，IP地址和本机的IP地址都不知道，该如何通信？

DHCP协议对“DHCP请求”的数据包做了特定的规定，发出方发送的DHCP数据包：

  • 发出方本机的MAC地址和本机未知的IP地址为0.0.0.0

  • 由于接收方DHCP服务器的信息都不知道，所以接收方的MAC地址则填写为FF-FF-FF-FF-FF-FF，IP地址填写为255.255.255.255。

该数据包在以太网以广播的方式传输，在同一子网络的每台计算机都会接收到该数据包，并分析数据包的接收方IP地址是否与自己的IP地址相匹配，当DHCP服务器接收到该数据包，并分析到该数据包的发出方IP地址为0.0.0.0，接收方IP地址为255.255.255.255，则会确认该数据包是发送给自己的，接下来就会进行IP地址分配，再响应发送回去一个”DHCP响应”的数据包，新加入的计算机接收到该响应包，就可以确定了本机的IP地址，子网掩码，默认网关和DNS服务器等相关信息，然后就可以上网了。

有了以上的基础知识，我们回到以下这个问题

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当我们在浏览器输入www.qq.com，点击Enter，至页面呈现，其中发生了什么？

呈现页面的数据必须通过网络来发送和接收数据，但Internet通信的前提是必须先知道双方的MAC地址和IP地址，本机的MAC地址是必然知道的，IP地址则可以使用静态和动态IP的方式确定，那么我们只需要确定对方的MAC地址和IP地址即可实现通信。

我们在浏览器输入的是www.qq.com，这是一个域名，域名在互联网中是没有什么意思的，只是为了方便用户记忆理解，但是在互联网中每个域名都可以通过DNS域名解析，解析成一个或者多个IP地址，解析确定对方的IP地址后，可以通过IP地址找到对应的主机，并确认该主机的MAC地址，最后实现通信，首先我们分析DNS域名解析的过程。

DNS域名解析

DNS（Domain Name System 的缩写）域名解析的作用是将域名解析为IP地址，具体过程如图
dns

  1. 本机DNS解析

    • 浏览器缓存中查找www.qq.com域名解析记录，若浏览器缓存中有www.qq.com域名解析记录，则域名解析完成，返回相应的IP地址，若无，则继续下一步解析

    • 在本机操作系统的DNS缓存和host文件查找www.qq.com域名解析记录；若有，则域名解析完成，返回相应的IP地址；若无，则向本地DNS服务器转发解析请求

  2. 本地DNS服务器解析

    • 本地DNS服务器的IP地址根据用户的静态IP地址和动态IP地址设置而定，首先客户端向本地DNS服务器（LDNS）发出域名解析请求

    • 本地DNS服务器先在域名解析记录缓存中查找，是否存在www.qq.com域名的解析记录，若存在，则将域名对应的IP地址，域名解析结束；若不存在,则在本地DNS服务器管理的域名内进行DNS解析，查找是否存在www.qq.com域名；若存在，返回IP地址和TTL值（Time to live 的缩写），表示缓存时间，解析结束；若不存在，则向根域名服务器发出解析请求，使用递归查询的方法进行查询

  3. 根域名服务器解析

    • www.qq.com域名真正的全称域名是www.qq.com.root，简写为www.qq.com。因为，根域名.root对于所有域名都是一样的，所以平时是省略的。根域名的下一级，叫做”顶级域名”，例如www.qq.com域名的顶级域名为.com。全球一共有十三组根域名服务器，从A.ROOT-SERVERS.NET一直到M.ROOT-SERVERS.NET。根域名服务器对www.qq.com域名进行解析查询，查找www.qq.com域名的顶级域名服务器.com的IP地址，并返回给本地DNS服务器，本地DNS服务器再向顶级域名服务器.com发出域名解析请求

  4. 顶级域名服务器解析

    • 顶级域名服务器.com对www.qq.com域名进行解析查询，查找www.qq.com域名的次级域名服务器.qq.com的IP地址,并返回给本地DNS服务器，本地DNS服务器再向次级域名服务器.qq.com发出域名解析请求

  5. 次级域名服务器解析

    • 次级域名服务器.qq.com对www.qq.com域名进行解析查询，查找www.qq.com域名的IP地址,并将该IP地址和和TTL值（Time to live 的缩写），表示缓存时间，返回给本地DNS服务器，本地DNS服务器将该结果缓存，再将IP地址返回给客户端，客户端将该解析记录缓存，至此DNS解析结束

DNS优化

由于DNS解析的过程十分复杂费时，所以DNS存在着多级缓存，提取DNS缓存的顺序大概如下：浏览器DNS缓存 – 系统DNS缓存 – 本地DNS服务器缓存 – 根域名服务器缓存 – 顶级域名服务器缓存 – 次级域名服务器缓存，解析记录的缓存时间由解析成功返回的TTL值（Time to live 的缩写）决定。

总结

至此，网络的基础知识和DNS域名解析讲完了，下节继续分析使用IP地址确定MAC地址和TCP连接。






参考文献