03-从输入 url 到页面展现发生了什么?

AI悦创原创Python 网络爬虫专栏Crawler大约 13 分钟...约 3816 字

你好,我是悦创。

从用户的角度出发,得益于各大浏览器厂商的不懈努力,这一切都显得已经很理所当然,输入一个地址,访问网络,显示一个绚丽多彩的界面,你可以可以在上面浏览视频,看文章,甚至玩游戏。 但是站在开发者的角度,这是一个纵观全局的大问题,每一个步骤都是一个可以延伸的话题。对于项目的优化都离不开这里的方方面面,是有深入理解的价值的。我们可以从一个总览出发,看看背后发生了什么。

1. 大致是如下步骤

  1. 根据地址栏输入的地址向 DNS(Domain Name System)open in new window 查询IP
  2. 通过 IP 向服务器发起 TCP 连接
  3. 向服务器发起请求
  4. 服务器返回请求内容
  5. 浏览器开始解析渲染页面并显示
  6. 关闭连接
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2. DNS

首先我们要知道什么是 DNS

域名系统(英文:Domain Name System,缩写:DNS)是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库,能够使人更方便地访问互联网。DNS 使用 TCP 和 UDP 端口 53。当前,对于每一级域名长度的限制是 63 个字符,域名总长度则不能超过 253 个字符。 --维基百科

域名解析的过程是逐级查询的

  1. 浏览器缓存: 首先会向浏览器的缓存中读取上一次访问的记录,在 chrome 可以通过地址栏中输入 chrome://net-internals/#dns 查看缓存的当前状态
  2. 操作系统缓存:查找存储在系统运行内存中的缓存。在mac中可以通过下面的命令清除系统中的DNS缓存。
dscacheutil -flushcache
  1. 在 host 文件中查找:如果在缓存中都查找不到的情况下,就会读取系统中预设的 host 文件中的设置。

  2. 路由器缓存:有些路由器也有DNS缓存的功能,访问过的域名会存在路由器上。

  3. ISP DNS 缓存:互联网服务提供商(如中国电信)也会提供 DNS 服务,比如比较著名的 114.114.114.114 ,在本地查找不到的情况下,就会向 ISP 进行查询,ISP 会在当前服务器的缓存内查找是否有记录,如果有,则返回这个IP,若没有,则会开始向根域名服务器请求查询。

  4. 顶级 DNS 服务器/根 DNS 服务器:根域名收到请求后,会判别这个域名(.com)是授权给哪台服务器管理,并返回这个顶级 DNS 服务器的 IP。请求者收到这台顶级 DNS 的服务器IP后,会向该服务器发起查询,如果该服务器无法解析,该服务器就会返回下一级的DNS 服务器 IP(nicefilm.comopen in new window),本机继续查找,直到服务器找到(www.nicefilm.comopen in new window)的主机。

我们可以通过 dig 命令查看域名解析的记录

dig math.stackexchange.com

我们重点看返回的应答,会看到有四条记录,返回了该网址的四个 IP

;; ANSWER SECTION:
math.stackexchange.com.    31    IN    A    151.101.1.69
math.stackexchange.com.    31    IN    A    151.101.129.69
math.stackexchange.com.    31    IN    A    151.101.193.69
math.stackexchange.com.    31    IN    A    151.101.65.69

31是 TTL 的值,表示该域名的缓存时间,即该时间内不用重新查询。A 是该 DNS 查询的记录类型,表示返回一个IPv4格式的地址。还有其他记录类型诸如 NS(返回查询的服务器地址)、AAAA(返回IPV6格式的地址)、CNAME(域名的别名)等。


3. TCP 连接

拿到了要请求的资源服务器 IP 后,浏览器通过操作 OS 的 socket 与服务器进行 TCP 连接(一般来说操作系统已经封装好了 TCP/IP 等协议,提供套接字给应用去使用,该部分涉及到标准网络模型的知识,另外再开篇拓展。) 这个连接就是我们所熟知的三次握手 本机主动打开连接

  • 第一次,本机将标识位 SYN 置为 1, seq = x(Sequence number) 发送给服务端。此时本机状态为 SYN-SENT
  • 第二次,服务器收到包之后,将状态切换为SYN-RECEIVED,并将标识位 SYN 和 ACK都置为1, seq = y , ack = x + 1 , 并发送给客户端。
  • 第三次,客户端收到包后,将状态切换为 ESTABLISHED,并将标识位 ACK 置为 1,seq = x + 1 , ack = y + 1 , 并发送给服务端。服务端收到包之后,也将状态切换为 ESTABLISHED

需要注意的一点是,有一些文章对ACK标识位 和 ack(Acknowledgement Number)的解释比较模糊,有一些画图的时候干脆就写在一起了。虽然这两者有关联,但不是同一个东西,搞清楚这个误区可以更方便去理解。还有一些会把第二次握手描述成两个包(比如某百科……),实际上这也是不正确的

  • 标识位 ACK 置为 1 表示我已确认收到 seq 为 x 的包,并回复确认序号 ack = x + 1
  • 而 SYN 表示这是我第一次随机生成 seq 的序列 x,此后我每次发送的包都会在上一次发送的基础上增加 y(有数据的时候,y 是数据的长度,没有的时候 y = 1)。所以,当seq已初始化完成之后,没必要再把 SYN 置为1

理解了这两点,也就不难理解为什么三次握手分别是 SYN、ACK/SYN、ACK了。

3.1 标识位(TCP FLAG)

TCP 的头部固定有 20 个字节,其中分配了 6bits 给 TCP FLAG ,组合起来用来表示当前包的类型。分别是 URGACKPSHRSTSYNFIN( CWRECE 放在保留位,暂不考虑)

  • URG:紧急指针,用于将要发送的包标识为“紧急”,这意味着不必等待前段数据被响应处理完即可发送给接收端。
  • ACK:确认标识,用于表示对数据包的成功接收。
  • PSH:推送标识,表示这个数据包应该被立即发送,不需要等待额外的数据。
  • RST:reset 标识,用来异常关闭连接。
  • SYN:同步标识,表示TCP连接已初始化。
  • FIN:完成标识,用于拆除上一个SYN标识。一个完整的TCP连接过程一定会有SYN 和 FIN包。

至此我们了解了一个TCP 连接的过程,通道通了,是时候利用这个通道送东西了。 我们从传输层再回到应用层。


4. HTTP请求与响应

超文本传输协议open in new window(英文:HyperText Transfer Protocol,缩写:HTTP)是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议[1]。HTTP是万维网的数据通信的基础。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。通过HTTP或者HTTPS协议请求的资源由统一资源标识符(Uniform Resource Identifiers,URI)来标识。 --wiki

我们用 https://www.segmentfault.comopen in new window 举例子。 在应用层,浏览器会分析这个 url,并设置好请求报文发出。请求报文中包括请求行、请求头、空行、请求主体。https 默认请求端口443, http 默认80。

  • 请求行:请求行中包括请求的方法,路径和协议版本。
  • 请求头:请求头中包含了请求的一些附加的信息,一般是以键值的形式成对存在,比如设置请求文件的类型accept-type,以及服务器对缓存的设置。
  • 空行:协议中规定请求头和请求主体间必须用一个空行隔开
  • 请求主体:对于post请求,所需要的参数都不会放在 url 中,这时候就需要一个载体了,这个载体就是请求主题。

服务端收到请求之后,会根据url匹配到的路径做相应的处理,最后返回浏览器需要的页面资源。浏览器会收到一个响应报文,而所需要的资源就就在报文主体上。与请求报文相同,响应报文也有与之对应的起始行、首部、空行、报文主体,不同的地方在于包含的东西不一样。

  • 响应行:响应报文的起始行同样包含了协议版本,与请求的起始行不同的是其包含的还有状态码和状态码的原因短语。
  • 响应头:对应请求报文中的请求头,格式一致,但是各自有不同的首部。也有一起用的通用首部。
  • 空行
  • 报文主体:请求所需要的资源。

4.1 http缓存

请求是浏览器的一个优化点,我们可以通过缓存来减少不必要的请求,进而加快页面的呈现。通过简单地设置http头部可以使用缓存的功能。一般来说有三种设置的方式

4.2 Last-Modify(响应头) + If-Modified-Since(请求头)

服务器在返回资源的时候设置Last-Modify当前资源最后一次修改的时间,浏览器会把这个时间保存下来,在下次请求的时候,请求头部If-Modified-Since 会包含这个时间,服务端收到请求后,会比对资源最后更新的时间是否在 If-Modified-Since 设置的时间之后,如果不是,返回304状态码,浏览器将从缓存中获取资源。反之返回200和资源内容

4.3 ETag(响应头) + If-None-Match(请求头)

根据资源标识符来确定文件是否存在修改,服务器每一次返回资源,都会在 Etag 中存放资源的标识符,浏览器收到这个标识符,在下一次请求的时候将标识符放在 If-None-Match 中,服务端将判断是否匹配,如果不匹配,返回200以及新的资源,反之返回304,浏览器从缓存中获取资源

4.4 Cache-Control/Expires(响应头)

首先这不是一种方法,而是协议更替中的一种演化。 在 http 1.0 的时代,我们基于 Pragma 和 Expires 控制缓存的生命周期。我们可以通过设置 Pragma 为 no-cache 关闭缓存功能,同样也可以在Expires中设置一个缓存失效的时间。需要注意的是,这个失效的时间是相对于服务器的实践而言的,如果人为地改变了客户端的时间,是会导致缓存失效的。 所以,为了解决这个问题,HTTP1.1的协议加入了Cache-Control,通过设置 Cache-Control 的 max-age 可以控制缓存的周期。在这个周期内,资源是新鲜的,浏览器再一次需要使用资源的时候,就不会发出请求了。


5. 页面呈现

至此浏览器已经拿到了一个 HTML 文档,并为了呈现文档而开始解析。呈现引擎开始工作,基本流程如下(以webkit为例)

  • 通过 HTML 解析器解析HTML文档,构建一个 DOM Tree,同时通过 CSS 解析器解析 HTML 中存在的 CSS,构建 Style Rules ,两者结合形成一个Attachment。
  • 通过 Attachment 构造出一个呈现树(Render Tree)
  • Render Tree 构建完毕,进入到布局阶段(layout/reflow),将会为每个阶段分配一个应出现在屏幕上的确切坐标。
  • 最后将全部的节点遍历绘制出来后,一个页面就展现出来了。

从构建 DOM 树到呈现的过程如下 需要注意的是,这是一个渐进的过程,呈现引擎为了力求显示的及时,会在文档请求不完全的情况下就开始渲染页面,同时,如果在解析的过程中遇到script的时候,文档的解析将会停止下来,立即解析执行脚本,如果脚本是外部的,则会等待请求完成并解析执行。所以,为了不阻塞页面地呈现,一般会把 script 脚本放在文档的最后。 在最新的 HTML4 和 HTML5 规范中,也可以将脚本标注为 defer,这样就不会停止文档解析,而是等到解析结束后才执行。HTML5 增加了一个选项,可将脚本标记为 async,以便由其他线程解析和执行。


6. 连接关闭

现在的页面为了优化请求的耗时,默认都会开启持久连接(keep-alive),那么一个TCP连接确切关闭的时机,是这个tab标签页关闭的时候。这个关闭的过程就是著名的四次挥手。关闭是一个全双工的过程,发包的顺序的不一定的。一般来说是客户端主动发起的关闭,过程如下。 假如最后一次客户端发出的数据 seq = x , ack = y ;

  1. 客户端发送一个FIN置为1的包,ack = yseq = x + 1 ,此时客户端的状态为 FIN_WAIT_1
  2. 服务端收到包后,状态切换为 CLOSE_WAIT 发送一个ACK为1的包, ack = x + 2。客户端收到包之后状态切换为FNI_WAIT_2
  3. 服务端处理完任务后,向客户端发送一个 FIN 包,seq = y ; 同时将自己的状态置为 LAST_ACK
  4. 客户端收到包后状态切换为 TIME_WAIT,并向服务端发送 ACK 包,ack = y + 1 ,等待 2MSL 后关闭连接。

6.1 为什么客户端等待2MSL?

MSL: 全程 Maximum Segment Lifetime,中文可以翻译为报文最大生存时间。 等待是为了保证连接的可靠性,确保服务端收到ACK包,如果服务端没有收到这个ACK包,将会重发FIN包给客户端,而这个时间刚好是服务端等待超时重发的时间 + FIN的传输时间。

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