浏览器请求背后的网络数据传输过程
我们经常在浏览器中输入网址，然后就得到了想要的页面，可你知道从输入网址开始，直到显示页面的背后，究竟经历了哪些不为人知的过程吗？本文从网络数据传输的层面为大家揭开这一系列神秘的面纱。
场景假设：
我们使用自己的电脑与学校的以太网进行连接，然后访问www.anjuke.com网站。
流程说明：
- 获取客户机IP地址。
- 域名解析
- 地址转换
- 建立连接
- 数据返回
下面就按照上面的流程来讲解数据传输过程。
说明传输过程之前，我们先来简单说一下“五层因特网协议栈”，自上而下分别是：
应用层：应用程序，如浏览器
传输层：如TCP、UDP
网络层：IP
链路层
物理层
数据发送时，会从上到下依次传递，并最终由物理层对外发出，数据接收时相反。
1. 获取客户机IP地址
为什么要获取客户机IP地址？因为电脑想要连接到因特网，就必须要有一个自己的IP地址，否则无法与其他服务提供方进行连接，IP地址可以唯一的标识一台主机，并在不同主机间构建独立连接。
一般像学校、小区等区域都会架设一个局域网，并有一个网关路由器，域内的主机都通过这个网关路由器与外网进行连接。
当域内的主机连接到因特网时，网关路由器为其自动分配一个内网IP，访问网站时，电脑使用这个IP地址与网关路由器（具有外网IP）连接，进而与世界各地的外网主机进行连接。
1.1 内网IP地址分配
内网IP地址的分配是通过DHCP（动态主机配置协议）实现的，DHCP一般实现在网关路由器中，本地主机连接进来时，为其自动分配一个内网IP地址，大致过程如下：
- 本地电脑操作系统生成一个DHCP请求报文，并将这个报文发送出去。
- 网关路由器接收到这个请求，为其分配一个内网IP地址，发送回本地电脑，并记录下这个IP已配分配
这样本地电脑就有了自己的IP地址。
由于在刚开始连接的时候，本地电脑是没有IP地址的，并且也不知道网关路由器的IP地址，那么网关路由器是如何接收到这个请求的呢？
这里需要介绍两个特殊的IP地址，255.255.255.255和0.0.0.0。
本地电脑发送DHCP报文的时候，将DHCP报会被放置到一个具有255.255.255.255的目的地IP地址的IP数据报中，数据报的源地址为0.0.0.0。
255.255.255.255被称为广播IP，局域网内的所有主机都会收到这个请求，当然网关路由器也会受到这个请求，然后处理请求。
至于数据是如何传递到网关路由器，我们稍后再讲。
1.2 内网IP地址到外网IP地址的转换
这里需要提一点，所谓的内网IP一般指IP规范中预留的IP地址，如192.168.\*.\*、10.\*.\*.\*等，这部分IP不会被分配到外网直接使用。
那么就要考虑一个问题了，既然内网IP不是外网直接使用的，当内网主机访问外网其他主机时如何通过这个IP和外网主机进行连接呢？解决方案就是我们要讲的内网IP地址到外网IP地址的转换过程了。
一般网关路由器都实现了一种叫做NAT（网络地址转换）的协议，该协议负责将内网IP地址转换为外网IP地址。
- 内网主机发送一个数据报
- NAT路由器收到该数据报，并为该数据报生成一当前未被使用的新端口号并记录到NAT路由表中，如5001，将源IP地址（内网IP）更换为网关路由器地址（外网IP地址），然后将数据报发送出去。
- 目的地Web服务器接收到数据报，并生成响应报文，报文目的地IP地址为我们的网关路由器IP，目的地端口号为5001。
- 网关路由器接收到数据报后，使用数据报中的目的IP地址和目的地端口号（如5001）到NAT路由表中检索出该内网IP地址，并将数据报的目的IP地址和目的端口号改为该内网主机的IP地址和端口，然后发送
- 内网主机接收到响应报文并处理
2. 域名解析
在上节中我们提到了源IP地址和目的地IP地址的概念，源IP地址很好理解，就是我们自己的主机IP地址，但是目的地IP地址是怎么哪里来的呢？明明我们只是在浏览器种输入了一串网址字符串。这就是我们本节中将要讲的域名解析：如何将一个域名解析为一个IP地址。
2.1 为什么要做域名解析
在因特网中，两台主机之间的指定连接是由IP地址和端口号确定的，这里包括源IP地址+源端口号、目的地IP地址+目的地端口号。虽然我们在浏览器中输入的是网址，但是要促成和目的主机之间的连接，必须要知道网址背后代表的目的主机IP和端口号。
一般来说，提供web网站服务的目的主机应用程序使用的都是80端口，在我们输入网址时如果不指定端口号，默认就会使用80端口。
2.2 域名解析服务（DNS）
一个域名在注册后，如果想要对外提供服务，都需要解析到指定的IP地址，这样其他人想要访问该域名提供的服务时就可以获取到对应的IP地址。
域名解析使用的是DNS服务。
DNS服务是一种层级结构，分为以下几类：
- 根DNS服务器：目前只有13个。
- 顶级域（TLD）服务器：负责顶级域如com、cn、edu等和所有国家顶级域如uk、fr、jp等。
- 权威DNS服务器：各大组织机构维护自己提供的公共服务DNS记录，如亚马逊、谷歌等。
另外还有一类称为“本地DNS服务器”，不隶属于DNS服务层次结构，一般由每个ISP（因特网服务提供商）部署，用来做DNS代理，可以缓存域名解析结果，加快解析速度。
域名解析的流程：
- 本地主机首先向本地DNS服务器发起DNS查询请求，请求报文中包含www.anjuke.com。
- 本地DNS服务器将该报文转发到根DNS服务器，跟DNS服务器发现其com前缀，于是返回负责com顶级域的IP地址列表。
- 本地DNS服务器收到后，再次向这些TLD服务器之一发送查询报文，TLD注意anjuke.com前缀，于是返回负责anjuke.com的权威DNS服务器的IP地址列表。
- 本地DNS服务器收到后，再次向这些权威DNS服务器之一发送查询报文，权威DNS服务器将www.anjuke.com主机名对应的IP地址返回。
- 本地DNS服务器接收到响应的IP地址后将其返回给本地主机，并缓存。
3. 建立连接
当操作系统有了明确的本机IP和目的地IP后，应用程序（浏览器）就可以开始发起与目的地服务器的连接了。
下述过程简化了一些细节，如TCP报文段封装、IP数据报封装、链路层帧封装，感兴趣的可以自己查资料。
- 浏览器向www.anjuke.com服务器发送请求报文，GET或POST等。
- 本地主机建立与服务器的TCP连接，生成TCP套接字。注：三次握手。
- 连接建立成功后，本地主机通过该TCP套接字向服务器发TCP报文段，该TCP套接字的报文段中包含源端口号（本机端口号，一般为随机启用，如65512）和目的地端口号（80端口）以及HTTP请求报文。
- 将该TCP报文放置到具有目的地IP地址的IP数据报中。
- 将该IP数据报放置到具有MAC地址为网关路由器的帧中，并发送
- 网关路由器修改源IP地址和端口号并转发该TCP报文段到www.anjuke.com服务器。
- 服务器收到该TCP报文段，并分解到与80端口相关联的TCP套接字。
- 服务器解析其中的HTTP报文，并生成响应数据。
- 响应数据报文发送到客户端网关路由器。注：发送过程同上述步骤。
- 本地网关路由器接收到IP数据报并修改其中的目的地IP地址和端口为本地主机内网IP地址和端口并发送。
- 本地主机通过TCP套接字接收TCP请求并分解到对应的应用程序（浏览器）。
- 浏览器接收到HTTP响应报文进行展示。
至此，整条链路的数据请求和接收过程就结束了，当然上述过程中还有一些细节和概念没有说明，如：
- TCP连接的关闭
- 链路层的连接（通过MAC地址）
- 子网掩码
大家可以自己查阅相关资料进行了解，这里就不再细说了。
另外补充一点，为什么会有内网和外网的概念，直接为每台主机分配一个唯一的外网IP不是更好吗？还省略了内网IP到外网IP的转换过程。
这里主要是因为IPV4的设计限制，在IPV4中，ip地址的长度为32比特，因此总共有2^32个可能的IP地址，差不多40亿左右，常用点分十进制记法，如121.2.31.89。随着因特网的发展，主机越来越多，IP地址就显得不够用了，所以才有了内网IP的用法，这样在每个局域网内可以自由分配内网IP，只要在当前局域网内部不重复即可。
