网络是怎样连接的-第一第二章读书笔记

#####浏览器与服务器的交互过程

浏览器的第一步工作就是对URL进行解析（确定web服务器和要访问的文件名）
解析完后根据解析的信息生成HTTP请求（使用HTTP协议访问Web服务器）

HTTP 协议定义了客户端和服务器之间交互的消息内容和步骤
- 先客户端向服务器端发送请求消息：包括URI+方法
  
  | 含义 | 方法 |
  | :————————————–: | :——: |
  | 获取URI 指定的信息。如果URI 指定的是文件，则返回文件的内容；get的消息体能发送的数据只有几百个字节 | GET |
  | 从客户端向服务器发送数据。一般用于发送表单中填写的数据等情况下 | POST |
  | 和GET 基本相同。不过它只返回HTTP 的消息头（message header），而并不返回数据的内容。用于获取文件最后更新时间等属性信息 | HEAD |
  | 用于通知或查询通信选项 | OPTIONS |
  | 替换URI 指定的服务器上的文件。如果URI 指定的文件不存在，则创建该文件 | PUT |
  | 删除URI 指定的服务器上的文 | DELETE |
- 服务器端接收到请求消息后，根据请求的要求把处理的结果放在响应消息中，返回给客户端。
  
  | 状态码 | 含义 |
  | :–: | :————————–: |
  | 1XX | 告知请求的处理进度和情况 |
  | 2XX | 成功（200） |
  | 3XX | 表示需要进一步操作（暂时重定向302；永久重定向301） |
  | 4XX | 客户端错误（404请求失败，414url太长） |
  | 5XX | 服务器端错误 |
  1. 如果网页的内容只有文字，那么响应消息体返回给客户端就结束了（1次）
  2. 如果网页有图片，浏览器会显示文字的时候所搜图片标签，遇到后留出显示图片的空间，然后再次请求图片。因为每个请求消息中只有一个uri，所以一次只能获取1个图片。如果网页中包含3个文件，那么要请求4次。
  3. 消息体的内容作为二进制数据来处理

生成HTTP消息后，委托（委托的操作是调用Socket库中的程序组建来执行的，Socket充当一个桥梁给操作系统的协议栈）操作系统将消息发送给Web服务器（通信数据是以包的形式传送的）

在生成HTTP消息后，根据域名查询IP地址（接着浏览器将ip地址和请求消息一起交给操作系统）

附1：TCP/IP网络的基本思路：通过小的子网（网络号）（用集线器连接起来的几台计算机（主机号）），通过路由器连接起来组成大的网络。网络号+主机号的整体称为IP 地址（一个IP地址长度为32比特）。（IP地址内部用 子网掩码 来表示网络号（1）和主机号（0））

1. 发送过程：通过IP 地址我们可以判断出访问对象服务器的位置，从而将消息发送到服务器。发送者发出的消息首先经过子网中的集线器，转发到距离发送者最近的路由器上，接下来，路由器会根据消息的目的地判断下一个路由器的位置，然后将消息发送到下一个路由器，直到传送到目的地。

附2 ：根据域名查询IP 地址时，浏览器会使用Socket 库中的解析器向DNS 服务器发出查询消息，并接收服务器返回的响应消息。我们计算机上对应的DNS客户端（一段代码，在Socket库中）称为DNS解析器。

调用解析器，向DNS 服务器发出查询消息
服务器返回响应消息，里面包含IP地址，并储存在浏览器指定的内存地址中（接着浏览器向Web服务器发送消息时，从内存中取出IP地址，将它与HTTP请求消息一起交给操作系统）

#####浏览器与Web服务器之间接收发消息的过程

操作系统收到IP地址和HTTP请求消息后，通过内部的协议栈向目标IP地址发送请求消息。（委托协议栈发送数字信息适合所有的网络应用程序，不局限于web）

收发数据的操作分为4个阶段，由操作系统中的协议栈来执行
- 创建套接字（IP地址加上端口号作为TCP连接的端点叫套接字，即 IP地址：端口号）
- 将管道连接到服务器端套接字上
- 收发数据
- 断开管道并删除套接字（管道连接是由客户端发起，但在断开时可以由任意一方发起）

创建套接字阶段：调用Socket库的组建创建套接字，之后协议栈会返回一个描述符，来识别不同的套接字。
连接阶段：委托协议栈将客户端创建的套接字与服务器那边的套接字连接起来。应用程序调用Socket库中的connect程序组建，指定描述符，IP地址，端口号 。
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注：描述符是用来在一台计算机内部识别套接字的机制，那么端口号就是用来让通信的另一方能够识别出套接字的机制。
通信阶段：套接字连接起来之后，调用Socket库write组建，协议栈就将数据（输入网址生产的HTTP请求消息）送入套接字，然后发送到对方的套接字中。
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收到响应消息后，通过Socket库中的read组件委托协议栈来接收消息并放到接收响应的内存地址（命名为接收缓冲区）

操作系统中的网络控制软件（协议栈）和网络硬件（网卡）是如何处理数据发送请求的

(协议栈内部图 )

网络应用程序：像浏览器，电子邮件客户端等，将收发数据等工作委派给下层部分。下面是Socket库，其中包含解析器，用来向DNS服务器发送查询。
操作系统内部包含了协议栈：

上半部分分为TCP+UDP：接收应用程序的委托，执行收发数据的操作
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浏览器、邮件等一般应用程序收发数据时用TCP；
DNS 查询等收发较短的控制数据时用UDP。
下半部分是IP协议：用来控制网络包收发操作
网卡驱动程序：负责控制网卡硬件
网卡：负责完成实际的收发操作，也就是对网线中的信号执行发送和接收的操作。

1 2	附：套接字：协议栈内部有一块存放控制信息的内存，控制信息包括IP地址，端口号，通信操作的状态等，这些控制信息就是套接字的实体。

#####具体过程

浏览器通过 Socket 库向协议栈发出委托，委托协议栈通过TCP协议来收发数据。

创建套接字：浏览器调用Socket库申请创建套接字，协议栈根据此申请执行创建套接字，在创建套接字时：
- 首先分配一个套接字所需的内存空间，然后向其中写入初始状态。
- 将表示这个套接字的描述符告知应用程序
  
  应用程序收到描述符后，向协议栈发起收发数据委托时需要提供这个描述符。

连接：浏览器调用socket库中的connect，然后协议栈将本地套接字和服务器的套接字连接。套接字创建完后，协议栈并不知道要和谁进行沟通

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1. 浏览器可以根据网址查询ip地址及端口号，但是协议栈不知道，这是就需要调用connect将这些信息传递给协议栈。
2. 向服务器端发送TCP包进行连接请求
3. 分配一块内存空间用来临时存放收发信息（缓冲区）

控制信息分类

头部中记录的控制信息：网络包开头的控制信息称为TCP头部（20个字节），还有以太网头部，IP头部。客户端和服务器端在通信过程中会将头部的信息相互确认，头部是用来记录和交换控制信息的。
保存在套接字中，用来操作协议栈的操作信息：
- 应用程序传递过来的信息，ip地址等
- 通信对象接收到的信息
- 收发数据操作的执行状态

具体步骤

应用程序调用connect(<描述符>,<ip地址和端口号>) ，这些信息会传递给协议栈中的TCP模块，并在TCP模块处创建表示连接控制信息的头部。（TCP模块会与ip对应的服务器的TCP模块交换控制信息）
- 根据头部中的发送方和接收方端口号找到要连接的套接字

TCP头部创建好后，将信息传递给IP模块并委托它进行发送

1	IP模块执行网络包发送操作后，网络包就会通过网络传递到服务器

服务器上的IP模块将接收到的数据传递给TCP模块，服务器的TCP模块根据TCP头部信息找到端口号对应的套接字，并写入相应的信息将状态改为正在连接。
然后服务器的TCP模块会返回响应，将ACK控制为设为1，表示已经接收到相应的网络包。
网络包返回客户端，通过IP模块到达TCP模块，并通过TCP头部信息确认是否连接成功。客户端也将ACK设置为1发回服务器，表示响应包已经收到

收发数据：应用程序调用write将发送的数据交给协议栈，协议栈收到数据后执行发送操作。

通过“序号”和“ACK 号”可以确认接收方是否收到了网络包。

协议栈收到数据后，会先存放在内部的发送缓冲区中，并等待下一段数据。它有两个维度，一个是长度优先，长度满MSS后发送，但是造成发送延迟；另一个是时间，经过一段时间后，就把包发送出去，但是会降低网络效率。
- 一个网络包最大长度是MTU，1500字节
- 去掉头部后的能容纳最大数据的长度MSS
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当发送数据较大时，会分割成一个个小的网络包，当判断要发送这些数据时，在每一个数据前面加上TCP头部。
TCP在拆分数据时，会在TCP头部写上“序号”字段（从头开始的第几个字节，实际应用过程中这个第一个号是随机的，所以在连接阶段需要将序号的初始值告诉对方） + 包的长度；对方在收到数据包后，确认返回ACK号（一共收了多少字节）

通过滑动窗口管理ACK号：在发送完一个包后，不等待这个包的ACK返回，直接发送后续一系列包，并且客户端告知发送方自己能接收的最大数据量（称为窗口大小），发送方根据这个来控制数据发送操作。

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1. 接收方在接到包后，先将数据保存在接收缓冲区中，计算ACK号并组装数据包，将数据传递给应用程序，然后释放缓冲区
2. 当接收方将缓冲区的数据传递给应用程序释放缓冲区的时候，需要将窗口大小字段发送给发送方
3. 连续的ACK号可以合并，发送最后一个ACK号即可，并会和窗口大小字段合并在一个包里一起发送

断开连接：双方都可以发起断开连接，然后过一段时间后客户端删除套接字。

以服务器发起断开为例：
1. 调用Socket库中的close，协议栈生产断开信息的TCP头部，将FIN设为1，并委托IP模块发送数据
2. 客户端收到网络包后，将自己的套接字标记为断开操作状态。并反馈ACK号给服务器
3. 客户端也会调用close，生成FIN为1的TCP包，发送服务器
4. 服务器返回ACK号

#####收发数据总结：

第一步是创建套接字，服务器端启动时就创建好套接字并等待连接状态，客户端一般是发送请求的时候创建套接字

包含了通信的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。
然后客户端向服务器端发起连接操作。客户端生成一个SYN为1的TCP包，头部也包含发送数据的初始序号（随机生成）和窗口大小（接收缓冲区最多能接收的容量大小）。服务器端返回SYN为1的TCP包，也包含了序号和窗口大小，还有表示确认收到包的ACK号（为1），然后客户端再返回一个确认的ACK号。3次握手确认。连接完毕。
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SYN 是 Synchronize(同步)的缩写，意思是通过告知初始序号使通信双方保持步调一致，以便完成后续的数据收发检查
数据收发阶段，客服端向服务器端发送请求信息，TCP将请求信息切分成一个个数据包，并打上TCP头部（头部包含序号，它表示当前发送的是第几个字节的数据），然后发送给服务器。服务器返回ACK号。起初服务器不断接收数据存储在缓冲区中，随着数据传递给应用程序，缓冲区空间被释放，此时将窗口大小反馈告知客户端。当收到请求后，服务器端向客户端返回相应消息。这个过程和刚才相反。
服务器响应消息发送完后，开始执行断开操作。以HTTP1为例，客户端发起断开过程。客户端发送一个FIN为1的TCP包，客户端返回一个确认收到的ACK号，然后双方交换一组方向相反的过程。最后，在一段时间后，套接字会被删除。