《網路是怎樣連線的》讀書筆記--第一章

liuziming發表於2022-03-09
筆記

0. 全書概覽

本書以使用者在瀏覽器進行一次進行 HTTP 訪問作為線索，講述網路的運作機制。在使用者在瀏覽器輸入網址開始，到瀏覽器接顯示出頁面為止整的個過程中，全書按照控制權轉移的順序，依次介紹了網路的兩個主要的組成部分：資訊 傳輸機制（網路協議和路由器、交換機等） + 應用軟體（瀏覽器、Web伺服器），在整個網路請求之中，是如何分工和協作的。

1. 第一章

第一章中，主要介紹瀏覽器從接收到使用者輸入的 URL 開始，到開始傳送 HTTP 請求訊息這一過程。

  1. 解析 URL
  2. 生成 HTTP 報文
  3. 確定 Web 伺服器 IP 地址
  4. 委託 OS 傳送報文

1.1 解析 URL

URL 是什麼

URL（Uniform Resource Locator）統一資源定位符，用於描述某一資源的位置，輸入 URL 也就類似於，打電話時要先輸入對方的電話號碼，URL 標識了這次請求的協議型別和目的地。

URL 的幾種型別

URL 開頭到第一個 ":" 之前的部分，標識了 URL 的協議型別，如http、ftp、file 等。對於不同的網路協議，URL 的寫法也有各自的規則，本書將重點介紹的是 HTTP 網路協議。
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1.2 生成 HTTP 報文

經過解析 URL，我們已經知道了我們要訪問的目標。接下來的一步，就是生成傳送給訪問目標的請求報文，請求報文的格式是有嚴格規定的。那麼，我們再來看看 HTTP 報文的格式。

1.2.1 HTTP 請求報文的格式

  • 請求行
    請求報文的首行，由 Method + URI + HTTP-Version 共同組成，它們之間使用空格隔開。
    關於 method，method 用於標識請求的動作型別，如 新增、刪除、讀取，它的值並不在 URL 中體現，而是由瀏覽器根據實際情況來判定。
  • 訊息頭
    訊息頭與請求行之間沒有空行，它由若干鍵值對組成，每個鍵值對佔一行。訊息頭的最後，有一個空行，標識訊息頭結束，並以此來隔開訊息頭與訊息體。
    欄位名 : 欄位值
    ··· ··· : ··· ···
  • 訊息體
    訊息體用於承載此次請求想要提交的資訊，往往在 PUT、POST 請求才會用到

1.2.2 HTTP 響應報文的格式

  • 響應行
    響應報文的第一行，由 HTTP-Version + 狀態碼 + 狀態短語 共同組成。響應報文的格式中，除了這第一行響應行的格式區別與請求行，其餘部分的格式，都與請求報文一致。
  • 訊息頭
    格式同請求報文
  • 訊息體
    格式同請求報文

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1.3 獲取 Web 伺服器的 IP 地址

生成了請求報文之後，那麼接下來就應該委託 協議棧向 Web 伺服器傳送報文了。但是，在傳送報文之前，還存在一個問題，就是通過解析 URL，只拿到了目標資源的 Domain，而委託協議棧發報文，必須要提供的不是 Web 伺服器的 Domain，而是 Web 伺服器的 IP 地址。那麼，什麼是 IP，又怎樣才能將 Domain 轉化為 IP 呢？

1.3.1 IP 地址的基本知識

  1. IP 地址的格式：是一串 32 bit 的數字，8 bit（1 byte） 一組分為 4 組，每組之間用 " . " 隔開。
  2. IP 的內部構造：地址中包含『網路號』+『主機號』，但是，他們二者在 32 bit 中所佔的位數，並不固定，而是在元件網路時由使用者自定義的。因此，除了 IP 地址之外，還需要一個附加資訊（子網掩碼），來標識 IP 地址的內部構造。
  3. 子網掩碼，與 IP 地址的長度相同，也是一串 32 bit 的數字。其中，左邊一半都是 ‘1’，右邊一半都是 ‘0’. 其中‘1’的部分代表網路號，‘0’的部分代表『主機號』
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1.3.2 從 Domain 到 IP 地址：DNS

瞭解完什麼是 IP 地址，接下來，再來說說怎樣根據 Domain 來獲取 IP 地址。此時，輪到 DNS (Domain Name System)閃亮登場了，DNS 是一種維護 Domain 和 IP 地址之間對映關係的網路伺服器。因為在 Socket 庫中，封裝了查詢 IP 地址的功能。所以，在建立 Socket 時，只要傳入 Domain 就可以了，Socket 內部會執行對 DNS 的詢問。

為啥既要有 Domain ，又要用 IP 地址呢 ？Domain 是為了方便人記憶，而簡短的 IP 地址，則能夠減輕路由器路由的負擔。
DNS 的 IP 地址從哪來呢 ？它是作為 TCP/IP 的是個設定專案，在 OS 中提前設定好的，不需要去查詢。

1.3.3 全球 DNS 大接力

由於全球的域名數量，不止是成百上千，將所有的 Domain-IP地址 對映關係全部維護在同一臺 DNS 伺服器，是不可能做到的。因此，需要很多的 DNS 伺服器分散式的儲存 Domain-IP地址 的對映資訊，那麼，這些遍佈全球的 DNS 伺服器之間，是如何協作的呢？

  1. 域名的層級關係
    在介紹 DNS 伺服器之間的協作方式之前，先要介紹一下 Domain 的層級關係。域名是由 ‘ . ’ 分割的一個字串。它的層級，也同樣由 ‘ . ’ 來進行劃分，越靠右側的位置，層級越高。如 ‘https://dubbo.apache.org/’ 域名中，層級最高的是 ‘org’，其次是 ‘apache’，再次是 ‘dubbo’。

  2. 定位 DNS 伺服器並取得 IP 地址
    既然 Domain 是分層級的，那麼 DNS 伺服器當然也會按照層級來進行儲存。

    • 首先，全球共有 12 個根域名伺服器，它們會儲存一級域名的 DNS 服務 IP 地址；
    • 其次，維護一級域名的 DNS 伺服器之中，又會儲存它維護了自己域內的二級域名的對映關係的 DNS 伺服器的 IP 地址；
    • 同理，三級 DNS 伺服器，又維護了四級 DNS 伺服器的 IP 地址，如此層層向下遞進，直到拿到 跟完整 Domian 相匹配的 IP 地址，然後返回給發起請求的 DNS 客戶端。
    • 另外，每臺 DNS 伺服器，都要維護 Root DNS 伺服器的 IP 地址，如此一來，只要找到任何一臺 DNS 伺服器，就可以獲取任意的一個域名對應的 IP 地址了。(Root DNS 伺服器全球共有 12 個)

1.4 委託協議棧傳送訊息

從 DNS 那裡取得了 Web 伺服器的 IP 地址之後，滿足了協議棧資料的要求，所以，下一步，瀏覽器將會委託協議棧向 Web 伺服器傳送報文了。

首先，協議棧將瀏覽器與 Web 伺服器之間相互傳送訊息的動作，抽象成為了『管道與插孔』的模型。通訊時，在瀏覽器端、Web 伺服器端，各有一個『插孔』，兩個『插孔』由一根『管道』相連線，管道是雙向的，雙方都可以向管道讀寫資料。

  1. 服務端建立起 Socket『插孔』，等待被連線
  2. 瀏覽器建立 Socket，瀏覽器呼叫協議棧程式，建立一個 Socket ，並隨機分配埠，由於瀏覽器程式同時可能會與多個 Web 伺服器進行通訊，因此，協議棧會返回一個描述符，用來標識這個新建立的 Socket。
  3. 瀏覽器發起連線，將兩個 Socket 用一根管子連線起來（需要埠號），此時，瀏覽器需要告知協議棧三個引數，Socket 的描述符、Web 伺服器的 IP 地址、Web 伺服器的埠號。建立連線的同時，瀏覽器會將自己Socket 所使用的 IP 地址、埠號資訊告知 Web 伺服器，以便 Web 伺服器向自己的 Socket 傳送響應報文。
  4. 收發訊息，兩邊的程式，分別向自己的 Socket 寫入資料，並監聽直到獲取由 Web 伺服器向自己的 Socket 所傳送的相應報文。
  5. Web 伺服器傳送完響應報文，直接關閉 Socket ，或者等待瀏覽器關閉 Socket 後再關閉自己的 Socket。

這個小節中，從巨集觀上描述了 瀏覽器 與 Web 伺服器雙方進行通訊的機制，其中的具體細節，將在下一章中詳細進行描述。

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