一次完整的HTTP事务是怎样一个过程?

声明:本文章中的说法仅是个人理解总结,不一定完全正确,但是可以有助于理解。

关于HTTP协议可以参考以下:

HTTP协议漫谈  http://kb.cnblogs.com/page/140611/
HTTP协议概览  http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2013/05/11/3069788.html
了解HTTP Headers的方方面面  http://kb.cnblogs.com/page/55442/

当我们在浏览器的地址栏输入 www.linux178.com ,然后回车,回车这一瞬间到看到页面到底发生了什么呢?

域名解析 --> 发起TCP的3次握手 --> 建立TCP连接后发起http请求 --> 服务器响应http请求,浏览器得到html代码 --> 浏览器解析html代码,并请求html代码中的资源(如js、css、图片等) --> 浏览器对页面进行渲染呈现给用户

以下就是上面过程的一一分析,我们就以Chrome浏览器为例:

一.域名解析

首先Chrome浏览器会解析 www.linux178.com 这个域名(准确的叫法应该是主机名)对应的IP地址。怎么解析到对应的IP地址?


1 Chrome浏览器 会首先搜索浏览器自身的DNS缓存(缓存时间比较短,大概只有1分钟,且只能容纳1000条缓存),看自身的缓存中是否有www.linux178.com 对应的条目,而且没有过期,如果有且没有过期则解析到此结束。
     注:我们怎么查看Chrome自身的缓存?可以使用 chrome://net-internals/#dns 来进行查看

2 如果浏览器自身的缓存里面没有找到对应的条目,那么Chrome会搜索操作系统自身的DNS缓存,如果找到且没有过期则停止搜索解析到此结束.
      注:怎么查看操作系统自身的DNS缓存,以Windows系统为例,可以在命令行下使用 ipconfig /displaydns 来进行查看  

3 如果在Windows系统的DNS缓存也没有找到,那么尝试读取hosts文件(位于C:\Windows\System32\drivers\etc),看看这里面有没有该域名对应的IP地址,如果有则解析成功。


4 如果在hosts文件中也没有找到对应的条目,浏览器就会发起一个DNS的系统调用,就会向本地配置的首选DNS服务器(一般是电信运营商提供的,也可以使用像Google提供的DNS服务器)发起域名解析请求(通过的是UDP协议向DNS的53端口发起请求,这个请求是递归的请求,也就是运营商的DNS服务器必须得提供给我们该域名的IP地址),运营商的DNS服务器首先查找自身的缓存,找到对应的条目,且没有过期,则解析成功。如果没有找到对应的条目,则有运营商的DNS代我们的浏览器发起迭代DNS解析请求,它首先是会找根域的DNS的IP地址(这个DNS服务器都内置13台根域的DNS的IP地址),找打根域的DNS地址,就会向其发起请求(请问www.linux178.com这个域名的IP地址是多少啊?),根域发现这是一个顶级域com域的一个域名,于是就告诉运营商的DNS我不知道这个域名的IP地址,但是我知道com域的IP地址,你去找它去,于是运营商的DNS就得到了com域的IP地址,又向com域的IP地址发起了请求(请问www.linux178.com这个域名的IP地址是多少?),com域这台服务器告诉运营商的DNS我不知道www.linux178.com这个域名的IP地址,但是我知道linux178.com这个域的DNS地址,你去找它去,于是运营商的DNS又向linux178.com这个域名的DNS地址(这个一般就是由域名注册商提供的,像万网,新网等)发起请求(请问www.linux178.com这个域名的IP地址是多少?),这个时候linux178.com域的DNS服务器一查,诶,果真在我这里,于是就把找到的结果发送给运营商的DNS服务器,这个时候运营商的DNS服务器就拿到了www.linux178.com这个域名对应的IP地址,并返回给Windows系统内核,内核又把结果返回给浏览器,终于浏览器拿到了www.linux178.com对应的IP地址,该进行一步的动作了。

注:一般情况下是不会进行以下步骤的

如果经过以上的4个步骤,还没有解析成功,那么会进行如下步骤:

5 操作系统就会查找NetBIOS name Cache(NetBIOS名称缓存,就存在客户端电脑中的),那这个缓存有什么东西呢?凡是最近一段时间内和我成功通讯的计算机的计算机名和Ip地址,就都会存在这个缓存里面。什么情况下该步能解析成功呢?就是该名称正好是几分钟前和我成功通信过,那么这一步就可以成功解析。

6 如果第5步也没有成功,那会查询WINS 服务器(是NETBIOS名称和IP地址对应的服务器)

7 如果第6步也没有查询成功,那么客户端就要进行广播查找

8 如果第7步也没有成功,那么客户端就读取LMHOSTS文件(和HOSTS文件同一个目录下,写法也一样)

如果第八步还没有解析成功,那么就宣告这次解析失败,那就无法跟目标计算机进行通信。只要这八步中有一步可以解析成功,那就可以成功和目标计算机进行通信。


看下图抓包截图:
Linux虚拟机测试,使用命令 wget www.linux178.com 来请求,发现直接使用chrome浏览器请求时,干扰请求比较多,所以就使用wget命令来请求,不过使用wget命令只能把index.html请求回来,并不会对index.html中包含的静态资源(js、css等文件)进行请求。

tcp3ci.png

抓包分析:


1 号包,这个是那台虚拟机在广播,要获取192.168.100.254(也就是网关)的MAC地址,因为局域网的通信靠的是MAC地址,它为什么需要跟网关进行通信是因为我们的DNS服务器IP是外围IP,要出去必须要依靠网关帮我们出去才行。
2 号包,这个是网关收到了虚拟机的广播之后,回应给虚拟机的回应,告诉虚拟机自己的MAC地址,于是客户端找到了路由出口。

3 号包,这个包是wget命令向系统配置的DNS服务器提出域名解析请求(准确的说应该是wget发起了一个DNS解析的系统调用),请求的域名www.linux178.com,期望得到的是IP6的地址(AAAA代表的是IPv6地址)
4 号包,这个DNS服务器给系统的响应,很显然目前使用IPv6的还是极少数,所以得不到AAAA记录的
5 号包,这个还是请求解析IPv6地址,但是www.linux178.com.leo.com这个主机名是不存在的,所以得到结果就是no such name

6 号包,这个才是请求的域名对应的IPv4地址(A记录)
7 号包,DNS服务器不管是从缓存里面,还是进行迭代查询最终得到了域名的IP地址,响应给了系统,系统再给了wget命令,wget于是得到了www.linux178.com的IP地址,这里也可以看出客户端和本地的DNS服务器是递归的查询(也就是服务器必须给客户端一个结果)这就可以开始下一步了,进行TCP的三次握手。

二.发起TCP的3次握手

拿到域名对应的IP地址之后,User-Agent(一般是指浏览器)会以一个随机端口(1024 < 端口 < 65535)向服务器的WEB程序(常用的有httpd,nginx等)80端口发起TCP的连接请求。这个连接请求(原始的http请求经过TCP/IP4层模型的层层封包)到达服务器端后(这中间通过各种路由设备,局域网内除外),进入到网卡,然后是进入到内核的TCP/IP协议栈(用于识别该连接请求,解封包,一层一层的剥开),还有可能要经过Netfilter防火墙(属于内核的模块)的过滤,最终到达WEB程序(本文就以Nginx为例),最终建立了TCP/IP的连接。

如下图:
tcp.png


1) Client首先发送一个连接试探,ACK=0 表示确认号无效,SYN = 1 表示这是一个连接请求或连接接受报文,同时表示这个数据报不能携带数据,seq = x 表示Client自己的初始序号(seq = 0 就代表这是第0号包),这时候Client进入syn_sent状态,表示客户端等待服务器的回复
2) Server监听到连接请求报文后,如同意建立连接,则向Client发送确认。TCP报文首部中的SYN 和 ACK都置1 ,ack = x + 1表示期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节序号是x+1,同时表明x为止的所有数据都已正确收到(ack=1其实是ack=0+1,也就是期望客户端的第1个包),seq = y 表示Server 自己的初始序号(seq=0就代表这是服务器这边发出的第0号包)。这时服务器进入syn_rcvd,表示服务器已经收到Client的连接请求,等待client的确认。
3) Client收到确认后还需再次发送确认,同时携带要发送给Server的数据。ACK 置1 表示确认号ack= y + 1 有效(代表期望收到服务器的第1个包),Client自己的序号seq= x + 1(表示这就是我的第1个包,相对于第0个包来说的),一旦收到Client的确认之后,这个TCP连接就进入Established状态,就可以发起http请求了。

看抓包截图:

11.png

9 号包 这个就是对应上面的步骤 1)
10 号包 这个对应的上面的步骤 2)
11 号包 这个对应的上面的步骤 3)

TCP 为什么需要3次握手?

举个例子:

假设一个老外在故宫里面迷路了,看到了小明,于是就有下面的对话:

老外: Excuse me,Can you Speak English?
小明: yes 。
老外: OK,I want ...

在问路之前,老外先问小明是否会说英语,小明回答是的,这时老外才开始问路

2个计算机通信是靠协议(目前流行的TCP/IP协议)来实现,如果2个计算机使用的协议不一样,那是不能进行通信的,所以这个3次握手就相当于试探一下对方是否遵循TCP/IP协议,协商完成后就可以进行通信了,当然这样理解不是那么准确。

为什么HTTP协议要基于TCP来实现?

目前在Internet中所有的传输都是通过TCP/IP进行的,HTTP协议作为TCP/IP模型中应用层的协议也不例外,TCP是一个端到端的可靠的面向连接的协议,所以HTTP基于传输层TCP协议不用担心数据的传输的各种问题。

三.建立TCP连接后发起http请求

进过TCP3次握手之后,浏览器发起了http的请求(看第⑫包),使用的http的方法 GET 方法,请求的URL是 / ,协议是HTTP/1.0

2.png

下面是第12号包的详细内容:

3.png

以上的报文是HTTP请求报文。

那么HTTP请求报文和响应报文会是什么格式呢?

起始行:如 GET / HTTP/1.0 (请求的方法  请求的URL 请求所使用的协议)
头部信息:User-Agent  Host等成对出现的值
主体

不管是请求报文还是响应报文都会遵循以上的格式。

那么起始行中的请求方法有哪些种呢?

GET: 完整请求一个资源 (常用)
HEAD: 仅请求响应首部
POST:提交表单  (常用)
PUT: (webdav) 上传 
DELETE:(webdav) 删除 
OPTIONS:返回请求的资源所支持的方法的方法 
TRACE: 追求一个资源请求中间所经过的代理 

那什么是URL、URI、URN?

URI  Uniform Resource Identifier 统一资源标识符
URL  Uniform Resource Locator 统一资源定位符 
格式如下:  scheme://[username:password@]HOST:port/path/to/source
             http://www.magedu.com/downloads/nginx-1.5.tar.gz

URN  Uniform Resource Name 统一资源名称

URL和URN 都属于 URI

为了方便就把URL和URI暂时都通指一个东西

请求的协议有哪些种?

有以下几种:

http/0.9: stateless
http/1.0: MIME, keep-alive (保持连接), 缓存
http/1.1: 更多的请求方法,更精细的缓存控制,持久连接(persistent connection) 比较常用

下面是Chrome发起的http请求报文头部信息

4.png

其中


Accept  就是告诉服务器端,我接受那些MIME类型
Accept-Encoding  这个看起来是接受那些压缩方式的文件
Accept-Lanague   告诉服务器能够发送哪些语言 
Connection       告诉服务器支持keep-alive特性
Cookie           每次请求时都会携带上Cookie以方便服务器端识别是否是同一个客户端
Host             用来标识请求服务器上的那个虚拟主机,比如Nginx里面可以定义很多个虚拟主机
                 那这里就是用来标识要访问那个虚拟主机。
User-Agent       用户代理,一般情况是浏览器,也有其他类型,如:wget curl 搜索引擎的蜘蛛等     

条件请求首部:
If-Modified-Since 是浏览器向服务器端询问某个资源文件如果自从什么时间修改过,那么重新发给我,这样就保证服务器端资源
             文件更新时,浏览器再次去请求,而不是使用缓存中的文件
安全请求首部:
Authorization: 客户端提供给服务器的认证信息;

什么是MIME?

MIME(Multipurpose Internet Mail Extesions 多用途互联网邮件扩展)是一个互联网标准,它扩展了电子邮件标准,使其能够支持非ASCII字符、二进制格式附件等多种格式的邮件消息,这个标准被定义在RFC 2045、RFC 2046、RFC 2047、RFC 2048、RFC 2049等RFC中。 由RFC 822转变而来的RFC 2822,规定电子邮件标准并不允许在邮件消息中使用7位ASCII字符集以外的字符。正因如此,一些非英语字符消息和二进制文件,图像,声音等非文字消息都不能在电子邮件中传输。MIME规定了用于表示各种各样的数据类型的符号化方法。 此外,在万维网中使用的HTTP协议中也使用了MIME的框架,标准被扩展为互联网媒体类型。

MIME 遵循以下格式:major/minor 主类型/次类型 例如:

image/jpg
image/gif
text/html
video/quicktime
appliation/x-httpd-php

四.服务器端响应http请求,浏览器得到html代码

看下图 第12号包是http请求包,第32包是http响应包

服务器端WEB程序接收到http请求以后,就开始处理该请求,处理之后就返回给浏览器html文件。

5.png

第32号包 是服务器返回给客户端http响应包(200 ok 响应的MIME类型是text/html),代表这一次客户端发起的http请求已成功响应。200 代表是的 响应成功的状态码,还有其他的状态码如下:


1xx: 信息性状态码
     100, 101
2xx: 成功状态码
     200:OK
3xx: 重定向状态码
     301: 永久重定向, Location响应首部的值仍为当前URL,因此为隐藏重定向;
     302: 临时重定向,显式重定向, Location响应首部的值为新的URL
     304:Not Modified  未修改,比如本地缓存的资源文件和服务器上比较时,发现并没有修改,服务器返回一个304状态码,
                         告诉浏览器,你不用请求该资源,直接使用本地的资源即可。
4xx: 客户端错误状态码
     404: Not Found  请求的URL资源并不存在
5xx: 服务器端错误状态码
     500: Internal Server Error  服务器内部错误
     502: Bad Gateway  前面代理服务器联系不到后端的服务器时出现
     504:Gateway Timeout  这个是代理能联系到后端的服务器,但是后端的服务器在规定的时间内没有给代理服务器响应

用Chrome浏览器看到的响应头信息:

6.png


Connection            使用keep-alive特性
Content-Encoding      使用gzip方式对资源压缩
Content-type          MIME类型为html类型,字符集是 UTF-8
Date                  响应的日期
Server                使用的WEB服务器
Transfer-Encoding:chunked   分块传输编码 是http中的一种数据传输机制,允许HTTP由网页服务器发送给客户端应用(通常是网页浏览器)的数据可以分成多个部分,分块传输编码只在HTTP协议1.1版本(HTTP/1.1)中提供
Vary  这个可以参考(http://blog.csdn.net/tenfyguo/article/details/5939000)
X-Pingback  参考(http://blog.sina.com.cn/s/blog_bb80041c0101fmfz.html)

那到底服务器端接收到http请求后是怎么样生成html文件?

假设服务器端使用nginx+php(fastcgi)架构提供服务

1 nginx读取配置文件

我们在浏览器的地址栏里面输入的是 http://www.linux178.com (http://可以不用输入,浏览器会自动帮我们添加),其实完整的应该是http://www.linux178.com./ 后面还有个点(这个点代表就是根域,一般情况下我们不用输入,也不显示),后面的/也是不用添加,浏览器会自动帮我们添加(且看第3部那个图里面的URL),那么实际请求的URL是http://www.linux178.com/,那么好了Nginx在收到 浏览器 GET / 请求时,会读取http请求里面的头部信息,根据Host来匹配 自己的所有的虚拟主机的配置文件的server_name,看看有没有匹配的,有匹配那么就读取该虚拟主机的配置,发现如下配置:

root /web/echo   

通过这个就知道所有网页文件的就在这个目录下 这个目录就是/ 当我们http://www.linux178.com/时就是访问这个目录下面的文件,例如访问http://www.linux178.com/index.html,那么代表/web/echo下面有个文件叫index.html

index index.html index.htm index.php  

通过这个就能得知网站的首页文件是那个文件,也就是我们在入http://www.linux178.com/ ,nginx就会自动帮我们把index.html(假设首页是index.php 当然是会尝试的去找到该文件,如果没有找到该文件就依次往下找,如果这3个文件都没有找到,那么就抛出一个404错误)加到后面,那么添加之后的URL是/index.php,然后根据后面的配置进行处理


location ~ .*\.php(\/.*)*$ {
   root /web/echo;
   fastcgi_pass   127.0.0.1:9000;
   fastcgi_index  index.php;
   astcgi_param  SCRIPT_FILENAME  $document_root$fastcgi_script_name;
   include        fastcgi_params;
}

这一段配置指明凡是请求的URL中匹配(这里是启用了正则表达式进行匹配) *.php后缀的(后面跟的参数)都交给后端的fastcgi进程进行处理。

2 把php文件交给fastcgi进程去处理

于是nginx把/index.php这个URL交给了后端的fastcgi进程处理,等待fastcgi处理完成后(结合数据库查询出数据,填充模板生成html文件)返回给nginx一个index.html文档,Nginx再把这个index.html返回给浏览器,于是乎浏览器就拿到了首页的html代码,同时nginx写一条访问日志到日志文件中去。

注1:nginx是怎么找index.php文件的?

当nginx发现需要/web/echo/index.php文件时,就会向内核发起IO系统调用(因为要跟硬件打交道,这里的硬件是指硬盘,通常需要靠内核来操作,而内核提供的这些功能是通过系统调用来实现的),告诉内核,我需要这个文件,内核从/开始找到web目录,再在web目录下找到echo目录,最后在echo目录下找到index.php文件,于是把这个index.php从硬盘上读取到内核自身的内存空间,然后再把这个文件复制到nginx进程所在的内存空间,于是乎nginx就得到了自己想要的文件了。

注2:寻找文件在文件系统层面是怎么操作的?

比如nginx需要得到/web/echo/index.php这个文件

每个分区(像ext3 ext3等文件系统,block块是文件存储的最小单元 默认是4096字节)都是包含元数据区和数据区,每一个文件在元数据区都有元数据条目(一般是128字节大小),每一个条目都有一个编号,我们称之为inode(index node 索引节点),这个inode里面包含 文件类型、权限、连接次数、属主和数组的ID、时间戳、这个文件占据了那些磁盘块也就是块的编号(block,每个文件可以占用多个block,并且block不一定是连续的,每个block是有编号的),如下图所示:

7.png

还有一个要点:目录其实也普通是文件,也需要占用磁盘块,目录不是一个容器。你看默认创建的目录就是4096字节,也就说只需要占用一个磁盘块,但这是不确定的。所以要找到目录也是需要到元数据区里面找到对应的条目,只有找到对应的inode就可找到目录所占用的磁盘块。

那到底目录里面存放着什么,难道不是文件或者其他目录吗?

其实目录存着这么一张表(姑且这么理解),里面放着 目录或者文件的名称和对应的inode号(暂时称之为映射表),如下图:

8.jpg

假设

/           在数据区占据 1、2号block ,/其实也是一个目录 里面有3个目录  web 111
web         占据 5号block  是目录 里面有2个目录 echo data
echo        占据 11号 block  是目录  里面有1个文件 index.php
index.php   占据 15 16号 block  是文件

其在文件系统中分布如下图所示

9.png

那么内核究竟是怎么找到index.php这个文件的呢?

内核拿到nginx的IO系统调用要获取/web/echo/index.php这个文件请求之后


1 内核读取元数据区 / 的inode,从inode里面读取/所对应的数据块的编号,然后在数据区找到其对应的块(1 2号块),读取1号块上的映射表找到web这个名称在元数据区对应的inode号
2 内核读取web对应的inode(3号),从中得知web在数据区对应的块是5号块,于是到数据区找到5号块,从中读取映射表,知道echo对应的inode是5号,于是到元数据区找到5号inode
3 内核读取5号inode,得到echo在数据区对应的是11号块,于是到数据区读取11号块得到映射表,得到index.php对应的inode是9号
4 内核到元数据区读取9号inode,得到index.php对应的是15和16号数据块,于是就到数据区域找到15 16号块,读取其中的内容,得到index.php的完整内容

五. 浏览器解析html代码,并请求html代码中的资源

浏览器拿到index.html文件后,就开始解析其中的html代码,遇到js/css/image等静态资源时,就向服务器端去请求下载(会使用多线程下载,每个浏览器的线程数不一样),这个时候就用上keep-alive特性了,建立一次HTTP连接,可以请求多个资源,下载资源的顺序就是按照代码里的顺序,但是由于每个资源大小不一样,而浏览器又多线程请求请求资源,所以从下图看出,这里显示的顺序并不一定是代码里面的顺序。

浏览器在请求静态资源时(在未过期的情况下),向服务器端发起一个http请求(询问自从上一次修改时间到现在有没有对资源进行修改),如果服务器端返回304状态码(告诉浏览器服务器端没有修改),那么浏览器会直接读取本地的该资源的缓存文件。

10.png

详细的浏览器工作原理请看:http://kb.cnblogs.com/page/129756/

六.浏览器对页面进行渲染呈现给用户

最后,浏览器利用自己内部的工作机制,把请求到的静态资源和html代码进行渲染,渲染之后呈现给用户。

自此一次完整的HTTP事务宣告完成.

标签:http, web, tcp

已有 33 条评论

  1. 甚赞!

  2. 太棒了 感谢楼主分享 受益匪浅

  3. palemoky palemoky

    很赞的内容,讲解的很详细,收藏了

  4. Chauncey Chauncey

    谢谢,学习了~~

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