3.2　网络传输调用过程

3.2.1　协议概述

在网络传输过程中，TCP/IP协议起了非常重要的作用，那么，TCP/IP协议具体是什么呢？

TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）是一组特别的协议，其子协议包括TCP、IP、UDP、ARP等。在网络通信的过程中，将发出数据的主机称为源主机，将接收数据的主机称为目的主机。当源主机发出数据时，数据在源主机中从上层向下层传送。源主机中的应用进程先将数据交给应用层，应用层在数据中加上必要的控制信息就成了报文流，报文流向下传给传输层。传输层在收到的数据单元中加上本层的控制信息，就形成了报文段、数据报，再将报文段、数据段交给网络层。网络层在报文段、数据段中加上本层的控制信息，就形成了IP数据报，并将其传给网络接口。网络接口将网络层发来的IP数据报组装成帧，并以比特流的形式传给网络硬件（即物理层），数据离开源主机。

通过网络传输，数据到达目的主机后，按照与源主机相反的过程，在目的主机中从下层向上层进行拆包传送。首先由网络接口层接收数据，依次剥离原来加上的控制信息，最后将源主机中的应用进程发送的数据交给目的主机的应用进程。

TCP/IP协议的基本传输单位是数据报。TCP协议负责把数据分成若干个数据报，并给每个数据报加上报头，报头上有编号，以保证目的主机能将数据还原为原来的格式。IP协议在每个报头上再加上接收端主机IP地址，这样数据就能找到自己要去的地址。如果传输过程中出现数据失真、数据丢失等情况，TCP协议会自动请求重新传输数据，并重组数据报。可以说，IP协议用于保证数据的传输，TCP协议用于保证数据传输的质量。TCP/IP协议在数据传输时每通过一层就要在数据上加个报头，其中的数据供接收端同一层协议使用，而在接收端，每经过一层要把用过的报头去掉，这样可以保证传输数据的一致性。

在计算机网络中，实际应用的网络协议是TCP/IP协议族，其中，TCP/IP协议的应用层大体对应OSI/RM模型的应用层、表示层和会话层，TCP/IP协议的网络接口层对应OSI/RM模型的数据链路层和物理层。TCP/IP包含以下4层：

• 链路层：链路层有时又称数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口上的细节。把链路层地址和网络层地址联系起来的协议包括ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）。
• 网络层：网络层处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议）、ICMP协议（网际控制报文协议）和IGMP协议（网际组管理协议）。
• 传输层：传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
• 应用层：应用层负责处理特定的应用程序细节。各种不同的TCP/IP实现几乎都会提供Telnet远程登录、SMTP（简单邮件传输协议）、FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）等应用程序。

（1）IP协议

IP协议是网络层中最重要的协议，IP层接收由更低层（网络接口层，例如以太网设备驱动程序）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层——TCP或UDP层；同时，IP层也把从TCP或UDP层接收的数据包传送到更低层。IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是否按顺序发送或者是否被破坏。IP数据包中含有发送它的主机的地址（源地址）和接收它的主机的地址（目的地址）。高层的TCP和UDP服务在接收数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这些服务相信数据包是从一个有效的主机发送来的。IP确认包含一个选项，叫作IPsource routing，它可以用来指定一条源地址和目的地址之间的直接路径。对于一些TCP和UDP的服务来说，使用了该选项的IP包好像是从路径上的最后一个系统传递过来的，而不是来自它的真实地点。这个选项是为了测试而存在的，说明它可以欺骗系统来进行平时被禁止的连接。因此，许多依靠IP源地址做确认的服务将产生问题并且会被非法入侵。

（2）UDP协议

UDP与TCP位于同一层，UDP主要用于那些面向查询—应答的服务，例如NFS。相对于FTP或Telnet，这些服务需要交换的信息量较小。使用UDP的服务包括NTP（网络时间协议）和DNS（DNS也使用TCP）。

（3）ARP协议

APR协议又称地址解析协议，是一个根据IP地址获取物理地址的TCP/IP协议。主机和主机间的通信在物理上类似于网卡和网卡间的通信，目前网卡会根据MAC地址进行识别，实现主机和主机间的通信，需要知道与对方主机的IP地址对应的MAC地址，APR协议能很好处理。处理过程如下：主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址。收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系，添加或删除静态对应关系等。

3.2.2　传输过程

互联网网络传输基于TCP协议传输，TCP三次握手过程，如图3-1所示。

注意，第1次SYN是请求建立连接，并在其序列号的字段进行序列号的初始值设定。建立连接，设置为1。ACK是确认号是否有效，一般置为1。

第一次握手：建立连接时，客户端发送SYN包（SYN=1）到服务器，并进入SYN_SENT状态，等待服务器确认。SYN是同步序列编号（Synchronize Sequence Number）。

第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认客户的SYN（ack= x +1），同时自己也发送一个SYN包（SYN=1），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态。

第三次握手：客户端收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK（ack= y +1），此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED（TCP连接成功）状态，完成三次握手。

网络传输完毕后，客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据。此时会经过TCP四次挥手，其过程如图3-2所示。

注意，第1次FIN是希望断开连接，一般置FIN为1。挥手处理过程如下。

1）客户端进程发出连接释放报文，并且停止发送数据，释放数据报文首部，FIN=1，序列号为seq= u ，TCP规定FIN报文段不携带数据也要消耗一个序号。

2）服务器接收到连接释放报文，发出确认报文，ACK=1，ack= u +1，并且带上自身序列号seq= v ，服务端进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端没有数据要发送，但是服务器若发送数据，客户端依然要接收。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。

3）收到服务器的确认请求后，客户端就进入FIN-WAIT-2（终止等待2）状态，等待服务器发送连接释放报文（在这之前还需要接收服务器发送的最后的数据）。

4）服务器将最后的数据发送完毕后，就向客户端发送连接释放报文，FIN=1，ack= u +1，由于处于半关闭状态，服务器很可能又发送了一些数据，假定此时的序列号为seq= w ，那么服务器就进入了LAST-ACK（最后确认）状态，等待客户端的确认。

5）客户端收到服务器的连接释放报文后，必须发出确认，ACK=1，ack= w +1，而自己的序列号是seq= u +1，此时，客户端就进入了TIME-WAIT（时间等待）状态。注意此时TCP连接还没有释放，必须经过2MSL（最长报文段寿命）的时间后，当客户端撤销相应的TCB后，才进入CLOSED状态。

6）服务器只要收到了客户端发出的确认信息，就会立即进入CLOSED状态，同样，撤销TCB后，就结束了这次的TCP连接。可以看到，服务器结束TCP连接的时间要比客户端早一些。

互联网中Web请求过程如图3-3所示。

注意，输入URL地址或点击URL链接后，浏览器打开呈现的请求过程具体分为以下步骤。

1）查找DNS，解析出与URL对应的IP地址（公网IP）。

2）初始化网络连接（包括TCP三次握手）。

3）发送HTTP请求。

4）通过网络传输请求到服务器。

5）Web服务器接收请求，经过处理转发到Web应用。

6）Web应用处理请求，如MVC框架，返回内容。

7）通过网络传输应答内容到前端浏览器。

8）浏览器解析从服务器返回的应答内容，并开始渲染和绘制。

9）根据HTML内容来构建DOM（文档对象模型）。

10）加载和解析样式，构建CSSOM（CSS对象模型）。

11）根据DOM和CSSOM来构建渲染树，按照文档顺序从上到下依次进行。

12）根据渲染树的过程，适当把已经构建好的部分绘制到界面上，中间会伴随着重绘和回流，循环操作，直到渲染绘制完成。

13）整个页面加载完成，触发OnLoad事件。

详细流程分析如下。

1）要通过URL将请求发送到服务器，浏览器就要知道这个URL对应的IP是什么，只有知道了IP地址，浏览器才能将请求发送到指定服务器的具体IP和端口。浏览器的DNS解析器负责把URL解析为正确的IP地址，这个解析很花时间，而且在解析过程中，浏览器不能从服务器那里下载任何东西。浏览器和操作系统提供了DNS解析缓存支持。

2）获取IP之后，浏览器会请求与服务器建立连接，TCP经过3次握手后建立连接通道。

3）浏览器真实发送HTTP请求，发送请求报文，包含请求行（包含请求方法、URI、HTTP版本信息；请求首部字段）、请求内容实体、空行。

• 通用首部字段（请求报文与响应报文都会使用的首部字段）如下。
• • Date：创建报文时间。
  • Connection：连接的管理。
  • Cache-Control：缓存的控制。
  • Transfer-Encoding：报文主体的传输编码方式。
• 请求首部字段（请求报文会使用的首部字段）如下。
• • Host：请求资源所在服务器。
  • Accept：可处理的媒体类型。
  • Accept-Charset：可接收的字符集。
  • Accept-Encoding：可接受的内容编码。
  • Accept-Language：可接受的自然语言。

4）网络开始传输请求到服务器，这个会包含很多时间，如网络阻塞时间、网络延迟时间、真正传输内容时间等。

5）Web服务器收到请求，会根据URL上下文转交给相应Web应用进行处理。

6）Web应用会进行很多处理，如filter、aop前置处理、IOC处理、创建对象，处理后会生成Response对象。熟悉Spring的读者对此过程会更清晰。

7）返回HTTP响应报文，包含状态行（包含HTTP版本、状态码、状态码的原因短语）、响应首部字段、响应内容实体、空行。

• 响应首部字段（响应报文会使用的首部字段）：
• • Accept-Ranges：可接收的字节范围。
  • Location：令客户端重新定向到的URI。
  • Server：HTTP服务器的安装信息。
• 实体首部字段（请求报文与响应报文的实体部分使用的首部字段）：
• • Allow：资源可支持的HTTP方法。
  • Content-Type：实体主类的类型。
  • Content-Encoding：实体主体适用的编码方式。
  • Content-Language：实体主体的自然语言。
  • Content-Length：实体主体的的字节数。
  • Content-Range：实体主体的位置范围，一般在发出部分请求时使用。

8）通过网络将应答内容传送回前端浏览器，先返回HTML代码，不包含图片、外部脚本、CSS等。

9）在浏览器解析页面进行渲染和绘制，具体过程如下：

a）装载和解析HTML文档，构建DOM，如果在解析过程中发现需要其他资源，如图片，浏览器会发出获取资源的请求；

b）装载和解析CSS，构建cssom；

c）根据DOM和cssom构建渲染树；

d）对渲染树节点进行布局处理，确认其屏幕位置；

e）将渲染好的节点绘制到界面上，渲染引擎不会等到所有HTML都解析完后才创建布局渲染树，而是在处理解析渲染树的同时向后端请求资源。 A29pgqCa5DAlTFSZhNSaG9ShjUaIucJIy1XemEcKzRPOdUUV1MGMtL+oPDyU2Qjo