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
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。
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。
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。
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。
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。
表示层:信息的语义语法,加密解密,转换翻译,压缩解压缩。
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
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。
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。
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。
简单快速、灵活。
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
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd6589ec.png)
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
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd68c19c.png)
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。
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd6c3d9b.png)
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)
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd70b0d7.png)
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:
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd7489eb.png)
内核在三次握手做的一些事情,如下:
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd780e90.png)
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
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd7b8952.png)
TCP四次挥手
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd80290a.png)
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
防止报文丢失,导致B重复发送FIN
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:
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd86bf7c.png)
停止等待协议,效率比较低
重传机制如下:
ack 报文丢失
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd8a1069.png)
请求报文丢失
![从一个HTTP请求来读懂HTTP、TCP协议](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd8dd543.png)
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。
![](/data/upload/ueditor/20201027/5f978bd91c298.png)