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从一个HTTP请求来看网络分层原理

 

两台主机间会通过非常多网络设备,不管哪个网络设备都会发生数据丢失,如果发生数据丢失的话,会发生数据重传,会出现数据重复(之前丢失的包并不是丢失而是产生了延时)。数据传输的介质也可能多样,如内网里通过网线进行传输,连接到公网的话会通过光纤进行连接,所以要实现不同介质间信号的转换,还有从光纤到路由器无线脉冲转换,距离远的话还有信号衰减问题。所以在网络传输过程中有非常多的问题需要解决,把问题分组分层,不同层次间解决不同问题,不同层次间定义标准化接口让它们间可以进行数据的通信。

 

复杂的网络

 

为了简化网络的复杂度,网络通信的不同方面被分解为多层次结构,每一层只与紧挨着的上层或者下层进行交互,将网络分层,这样就可以修改,甚至替换某一层的软件,只要层与层之间的接口保持不变,就不会影响到其他层。

  • OSI( Open System Interconnection Reference Model): 开放系统互联参考模型

  • TCP/IP 协议族

 

OSI七层理论体系结构

 

  1. 物理层:解决两台主机的通信问题—A往B发送比特流(0101),B能接收到这些比特流。定义了物理设备的标准如网线的类型,光纤的接口类型以及传输介质的传输速率等。

  2. 数据链路层:由于物理层上的传输的比特流可能会出现错传、误传等,所以数据链路层定义了如何格式化数据即将比特流封装成帧,提供了错误检测。

  3. 网络层:随着节点的增加,点对点通信是需要经过多个节点的,如何找到目标节点,如何找到最优路径变成为了首要需求。所以出现了网络层,主要目的是将网络地址翻译成对应的物理地址,分组传输、路由选择,本层的传输单位是数据报(分组),本层需要注意的TCP/IP协议中的TCP协议。

  4. 传输层:随着网络需要的进一步扩大,通信过程中需要传输大量的数据,网络可能会发生中断,为了保证传输大量文件时的准确性,需要对发送的数据进行切分,切分成一个个的segment进行发送,考虑如何在接受方拼接切分的segment组成完整的数据,以及发现丢失segment时该如何处理,需要注意的协议TCP、UDP。

  5. 会话层:不同机器上的用户之间建立以及管理会话。用于保证应用程序自动收发包和寻址。

  6. 表示层:信息的语义语法,加密解密,转换翻译,压缩解压缩。

  7. 应用层:规定双方必须使用固定长度的消息头,且消息头必须记录消息长度等信息。需要注意的是TCP/IP协议中的HTTP协议。

 

 

TCP/IP四层模型

 

是OSI的一种实现,包括应用层、运输层、网际层和网络接口层。

 

 

一个HTTP请求的分层解析流程

 

 

如上图右边一个服务器部署了一个静态页面,通过nginx部署在公网上,浏览器通过域名对它进行访问,浏览器输入域名点回车后是怎么工作的呢?

http://www.dumain.com 

服务端只认ip地址,浏览器将域名解析出来,看下浏览器里有没有域名对应DNS的缓存,有的话直接拿到服务端的ip地址,没有的话去本地的host文件看有没有配置,没有配置的话才会发起一个DNS请求用来获取服务器ip地址。

DNS也是台服务器也有自己的ip地址,这时候应用层会构造一个DNS请求报文,应用层会去调用传输层的接口一个socket的API,DNS默认使用UDP实现数据传输,即应用层调用传输层的API,传输层会在DNS请求报文基础上加一个UDP的请求头,传输层将数据交给网络层,网络层同样在UDP请求报文基础上加IP的请求头,网络层会将IP请求报文交给数据链路层,数据链路层会将自己的mac头加上去并把对应的请求报文交给下一个机器的mac地址也会加上去,下一个机器的mac地址通过网络层ARP协议找到,ARP会发送一些请求看下你对应的ip地址的mac地址是多少,最后通过物理层物理介质传出去,通常传到路由器上.

路由器是三层设备(从下向上)从物理层开始连接,物理层交给数据链路层,数据链路层看下地址是不是给我的,是给我的进行解析,不是给我的就丢弃,报文再传给上面一层网络层,网络层把数据传到下一个路由器的地址是多少,会通过运营商的网络接口传到运营商的路由器上,运营商有自己的DNS服务器,如果配置的是运营商自己的DNS服务器的话会直接在这个DNS服务器里找自己对应的域名拿到对应的ip地址,也就是刚请求DNS报文地址,然后原路返回解析直到应用层拿到刚域名对应的ip地址,这样就可以进行HTTP请求报文的发送,再调用传输层协议是TCP参数,同样每到一层加头。

 

HTTP

 

什么是HTTP?

 

超文本传输协议,是一个基于请求与响应,无状态的,应用层的协议,常基于TCP/IP协议传输数据,互联网上应用最为广泛的一种网络协议,所有的WWW文件都必须遵守这个标准。设计HTTP的初衷是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

 

HTTP特点

 

  1. 无状态:协议对客户端没有状态存储,对事物处理没有“记忆”能力,比如访问一个网站需要反复进行登录操作。

  2. 无连接:HTTP/1.1之前,由于无状态特点,每次请求需要通过TCP三次握手四次挥手,和服务器重新建立连接。比如某个客户机在短时间多次请求同一个资源,服务器并不能区别是否已经响应过用户的请求,所以每次需要重新响应请求,需要耗费不必要的时间和流量。

  3. 基于请求和响应:基本的特性,由客户端发起请求,服务端响应。

  4. 简单快速、灵活。

  5. 通信使用明文、请求和响应不会对通信方进行确认、无法保护数据的完整性。

 

HTTP协议版本已经演化到3.0版本,关于协议版本可以查看 快速掌握HTTP1.0 1.1 2.0 3.0的特点及其区别

 

HTTP报文格式

 

HTTP 协议的请求报文和响应报文的结构基本相同,由三大部分组成:

  • 起始行(start line):描述请求或响应的基本信息

  • 头部字段集合(header):使用 key-value 形式更详细地说明报文

  • 消息正文(entity):实际传输的数据,它不一定是纯文本,可以是图片、视频等二进制数据

其中起始行和头部的字段并成为 请求头 或者 响应头,统称为 Header;消息正文也叫实体,称为 body。HTTP 协议规定每次发送的报文必须要有 Header,但是可以没有 body,也就是说头信息是必须的,实体信息可以没有。而且在 header 和 body 之间必须要有一个空行(CRLF)。

 

请求行报文格式

 

 

  • 请求方法:如 GET/HEAD/PUT/POST,表示对资源的操作;

  • 请求目标:通常是一个 URI,标记了请求方法要操作的资源;

  • 版本号:表示报文使用的 HTTP 协议版本。

 

响应报文格式

 

  • 版本号:表示报文使用的 HTTP 协议版本;

  • 状态码:一个三位数,用代码的形式表示处理的结果,比如 200 是成功,500 是服务器错误;

  • 原因:作为数字状态码补充,是更详细的解释文字,帮助人理解原因。

 

请求及响应报文格式对比

 

 

HTTP 头字段

 

头部字段是 key-value 的形式,key 和 value 之间用“:”分隔,最后用 CRLF 换行表示字

段结束。比如前后分离时经常遇到的要与后端协商传输数据的类型“Content-type: application/json”,这里 key 就是“Content-type”,value 就 是“application/json”。HTTP 头字段非常灵活,不仅可以使用标准里的 Host、 Connection 等已有头,也可以任意添加自定义头,这就给 HTTP 协议带来了无限的扩展可能。

 

头字段注意事项

 

  • 字段名不区分大小写,字段名里不允许出现空格,可以使用连字符“-”,但不

  • 能使用下划线“_”(有的服务器不会解析带“_”的头字段)。字段名后面必须紧接 着“:”,不能有空格,而“:”后的字段值前可以有多个空格;

  • 字段的顺序是没有意义的,可以任意排列不影响语义;

  • 字段原则上不能重复,除非这个字段本身的语义允许,例如 Set-Cookie。

HTTP 协议中有非常多的头字段,但基本上可以分为四大类:通用标头、实体标头、请求标头、响应标头。

HTTP 头字段更多内容请查看《深入掌握HTTP四种标头基本概念 》

 

TCP 协议

 

TCP(Transmission Control Protocol),传输控制协议:面向连接的,可靠的,基于字节流的传输层通信协议。它能帮助你确定计算机连接到 Internet 以及它们之间的数据传输。通过三次握手来建立 TCP 连接,三次握手就是用来启动和确认 TCP 连接的过程。一旦连接建立后,就可以发送数据了,当数据传输完成后,会通过关闭虚拟电路来断开连接。

 

TCP特点

 

  • 基于连接的:数据传输之前需要建立连接

  • 全双工的:双向传输

  • 字节流:不限制数据大小,打包成报文段,保证有序接收,重复报文自动丢弃

  • 流量缓冲:解决双方处理能力的不匹配

  • 可靠的传输服务:保证可达,丢包时通过重发机制实现可靠性

  • 拥塞控制:防止网络出现恶性拥塞

 

TCP报文格式

 

  • 16位源端口/16位目的端口:负责实现应用程序之间的数据传输

  • 32位序号/32位确认序号:用于实现tcp在传输层的包序管理——tcp有序交付数据

  • 4位头部长度:以4个字节为单位;4位保存的最大数字是15;因此tcp报头最大长度是15*4=60个字节

  • 6位保留位;

  • 6位标志:

  • URG——紧急指针标志

  • ACK——确认回复标志

  • PSH——提示立即接受位

  • RST——重置连接位

  • SYN——连接建立请求位

  • FIN——断开连接请求位

  • 16位窗口大小:滑动窗口机制–>流量控制–>告诉对端所能发送的最大数据量

  • 校验和:二进制反码求和–>校验数据一致性

  • 紧急指针:指明哪些数据是紧急数据

  • 选项数据:三次握手时,协商MSS大小的数据

TCP连接:四元组[ 源地址, 源端口, 目的地址, 目的端口 ]

 

TCP三次握手

 

同步通信双方初始序列号( ISN, initial sequence number )

协商TCP通信参数(MSS, 窗口信息,指定校验和算法)

在了解具体流程之前,我们先认识几个概念 

最初两端的TCP进程都处于CLOSED关闭状态,A主动打开连接,而B被动打开连接。

A、B关闭状态CLOSED — B收听状态LISTEN — A同步已发送状态SYN-SENT — B同步收到状态SYN-RCVD— A、B连接已建立状态ESTABLISHED

B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB,准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN(收听)状态,等待客户的连接请求。若有,则作出响应。

  • SYN:它的全称是 Synchronize Sequence Numbers ,同步序列编号。是 TCP/IP 建立连接时使用的握手信号。在客户机和服务器之间建立 TCP 连接时,首先会发送的一个信号。客户端在发送 SYN 消息时,就会在自己的段内生成一个随机值 X。

  • SYN-ACK:服务器收到 SYN 后,应答客户端连接,发送一个 SYN-ACK作为答复。确认号设置为比接收到的序列号多一个,即 X + 1,服务器为数据包选择的序列号是另一个随机数 Y。

  • ACK: Ackowledge character ,确认字符,表示发来的数据已确认接收无误。最后客户端将 ACK 发送给服务器。序列号被设置为所接收的确认值即 Y+ 1。 

 

下面通过一个案例看三次握手是怎么进行的

在Nginx服务器部署一个静态页面(我的端口为:8000)

 

  

tcpdump指定网卡进行监听抓取报文


 

tcpdump -i en0 -S -c 3 port 8000 



在客户端使用nc网络工具发送一个请求


 

nc 192.168.109.200 8000 



三次握手监听结果如下:

 

 

内核在三次握手做的一些事情,如下:

 

连接状态查看


 

netstat -tpn # t:TCP连接装,p:进程显示 ,n:数字形式  # 每秒查看一次 



netstat -tpn -c 1

 

 

TCP四次挥手

 

 

  • A: 发送FIN数据包,代表A不再发送数据

  • B: 收到请求,开始应答 ,避免了A重新发送FIN重试(应答机制)

  • B: 处理完数据之后关闭,关闭连接,及发送FIN请求

  • A: 收到请求后发送ACK应答,B服务可以释放连接

 

等待 2MSL后释放连接

 

  1. 防止报文丢失,导致B重复发送FIN

  2. 防止滞留在网络中的报文,对新建立的连接造成数据扰乱

 

字节流的协议

 

TCP把应用交付的数据仅仅看成是一连串的无结构的字节流,TCP并不 知道字节流的含义,TCP并不关心应用程序一次将多大的报文发送到 TCP的缓存中,而是根据对方给出的窗口值和当前网络拥堵的程度来决 定一个报文段应该包含多少个字节。


 

MSS: Max Segment Size, 默认 536byte 实际数据 



 

在网络传输过程中可能会出现以下的一些情况:

  • 客户端一段时间没有收到 ack 消息则重传

  • 如果缓冲区满了则可能丢包或延时都需要重传

  • 根据报文 sequeence number 字段重排序,还需要丢弃重复包。

 

数据传输的可靠性

 

停止等待协议如下: 

 

 

停止等待协议,效率比较低

 

重传机制如下:

 

ack 报文丢失

请求报文丢失

 

 

滑动窗口协议与累计确认(延时ack)

 

如上效率低,所以tcp提出了新的协议-滑动窗口协议与累计确认(延时ack)。

滑动窗口大小同通过tcp三次握手和对端协商,且受网络状况影响。

上面是一个一个报文,实际可发一批报文,服务器并不是挨个去确认,上面回一个ack浪费资源,单独响应一个报文时,tcp本身一个报文至少20个字节再加上ip头报文20字节,所以一个ack至少40字节。

所以延时ack的发送,如下图确认最后一个报文如5就可以,但这样也有一个问题如3的报文丢了,这时只能确认1和2连续报文,从3以后的报文全要重传,已确认的报文在缓冲区丢弃掉。