通过浏览器解析 URL 并生成 HTTP 消息后,需要委托操作系统将消息发送给 Web 服务器。 但在发送之前,还有一项工作需要完成,那就是查询服务器域名对于的 IP 地址,因为委托操作系统发送消息时,必须提供通信对象的 IP 地址。 比如我们打电话的时候,必须要知道对方的电话号码,但由于电话号码难以记忆,所以通常我们会将对方电话号 + 姓名保存在通讯录里。 所以,有一种服务器就专门保存了 Web 服务器域名与 IP 的对应关系,它就是 DNS 服务器。
域名的层级关系
DNS 中的域名都是用句点来分隔的,比如 www.server.com,这里的句点代表了不同层次之间的界限。 在域名中,越靠右的位置表示其层级越高。 毕竟域名是外国人发明,所以思维和中国人相反,比如说一个城市地点的时候,外国喜欢从小到大的方式顺序说起(如 XX 街道 XX 区 XX 市 XX 省),而中国则喜欢从大到小的顺序(如 XX 省 XX 市 XX 区 XX 街道)。 根域是在最顶层,它的下一层就是 com 顶级域,再下面是 server.com。 所以域名的层级关系类似一个树状结构:
根 DNS 服务器
顶级域 DNS 服务器(com)
权威 DNS 服务器(server.com)
根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。 这样一来,任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。 因此,客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器,就可以通过它找到根域 DNS 服务器,然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器。
域名解析的工作流程
客户端首先会发出一个 DNS 请求,问 www.server.com 的 IP 是啥,并发给本地 DNS 服务器(也就是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址)。
本地域名服务器收到客户端的请求后,如果缓存里的表格能找到 www.server.com,则它直接返回 IP 地址。如果没有,本地 DNS 会去问它的根域名服务器:“老大, 能告诉我 www.cxyxiaowu.com 的 IP 地址吗?” 根域名服务器是最高层次的,它不直接用于域名解析,但能指明一条道路。
根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后,发现后置是 .com,说:“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”,我给你 .com 顶级域名服务器地址给你,你去问问它吧。”
本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后,发起请求问“老二, 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗?”
顶级域名服务器说:“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址,你去问它应该能问到”。
本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器:“老三,www.server.com对应的IP是啥呀?” server.com 的权威 DNS 服务器,它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢?就是我的域名我做主。
权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端,客户端和目标建立连接。
至此,我们完成了 DNS 的解析过程。现在总结一下,整个过程我画成了一个图。 DNS 域名解析的过程蛮有意思的,整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似,只指路不带路。
TCP 模块在执行连接、收发、断开等各阶段操作时,都需要委托 IP 模块将数据封装成网络包发送给通信对象。
IP 包头格式
我们先看看 IP 报文头部的格式: 在 IP 协议里面需要有源地址 IP 和 目标地址 IP:
源地址IP,即是客户端输出的 IP 地址;
目标地址,即通过 DNS 域名解析得到的 Web 服务器 IP。
因为 HTTP 是经过 TCP 传输的,所以在 IP 包头的协议号,要填写为 06(十六进制),表示协议为 TCP。
假设客户端有多个网卡,就会有多个 IP 地址,那 IP 头部的源地址应该选择哪个 IP 呢?
当存在多个网卡时,在填写源地址 IP 时,就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块网卡中判断应该使用哪个一块网卡来发送包。 这个时候就需要根据路由表规则,来判断哪一个网卡作为源地址 IP。 在 Linux 操作系统,我们可以使用 route -n 命令查看当前系统的路由表。 举个例子,根据上面的路由表,我们假设 Web 服务器的目标地址是 192.168.10.200。
再与第二条目的子网掩码进行 与运算,得到的结果为 192.168.10.0,与第二条目的 Destination 192.168.10.0 匹配成功,所以将使用 eth1 网卡的 IP 地址作为 IP 包头的源地址。
那么假设 Web 服务器的目标地址是 10.100.20.100,那么依然依照上面的路由表规则判断,判断后的结果是和第三条目匹配。 第三条目比较特殊,它目标地址和子网掩码都是 0.0.0.0,这表示默认网关,如果其他所有条目都无法匹配,就会自动匹配这一行。并且后续就把包发给路由器,Gateway 即是路由器的 IP 地址。
IP 报文生成
至此,网络包的报文如下图。
此时,加上了 IP 头部的数据包表示 :“有 IP 大佬给我指路了,感谢 IP 层给我加上了 IP 包头,让我有了远程定位的能力!不会害怕在浩瀚的互联网迷茫了!可是目的地好远啊,我下一站应该去哪呢?”
06 两点传输 —— MAC
生成了 IP 头部之后,接下来网络包还需要在 IP 头部的前面加上 MAC 头部。
MAC 包头格式
MAC 头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息。 在 MAC 包头里需要发送方 MAC 地址和接收方目标 MAC 地址,用于两点之间的传输。 一般在 TCP/IP 通信里,MAC 包头的协议类型只使用:
0800 :IP 协议
0806 :ARP 协议
MAC 发送方和接收方如何确认?
发送方的 MAC 地址获取就比较简单了,MAC 地址是在网卡生产时写入到 ROM 里的,只要将这个值读取出来写入到 MAC 头部就可以了。 接收方的 MAC 地址就有点复杂了,只要告诉以太网对方的 MAC 的地址,以太网就会帮我们把包发送过去,那么很显然这里应该填写对方的 MAC 地址。 所以先得搞清楚应该把包发给谁,这个只要查一下路由表就知道了。在路由表中找到相匹配的条目,然后把包发给 Gateway 列中的 IP 地址就可以了。
既然知道要发给谁,按如何获取对方的 MAC 地址呢?
不知道对方 MAC 地址?不知道就喊呗。 此时就需要 ARP 协议帮我们找到路由器的 MAC 地址。 ARP 广播 ARP 协议会在以太网中以广播的形式,对以太网所有的设备喊出:“这个 IP 地址是谁的?请把你的 MAC 地址告诉我”。 然后就会有人回答:“这个 IP 地址是我的,我的 MAC 地址是 XXXX”。 如果对方和自己处于同一个子网中,那么通过上面的操作就可以得到对方的 MAC 地址。然后,我们将这个 MAC 地址写入 MAC 头部,MAC 头部就完成了。
先查询 ARP 缓存,如果其中已经保存了对方的 MAC 地址,就不需要发送 ARP 查询,直接使用 ARP 缓存中的地址。
而当 ARP 缓存中不存在对方 MAC 地址时,则发送 ARP 广播查询。
查看 ARP 缓存内容
在 Linux 系统中,我们可以使用 arp -a 命令来查看 ARP 缓存的内容。
MAC 报文生成
至此,网络包的报文如下图。
此时,加上了 MAC 头部的数据包万分感谢,说道 :“感谢 MAC 大佬,我知道我下一步要去了哪了!我现在有很多头部兄弟,相信我可以到达最终的目的地!”。带着众多头部兄弟的数据包,终于准备要出门了。
07 出口 —— 网卡
IP 生成的网络包只是存放在内存中的一串二进制数字信息,没有办法直接发送给对方。因此,我们需要将数字信息转换为电信号,才能在网线上传输,也就是说,这才是真正的数据发送过程。 负责执行这一操作的是网卡,要控制网卡还需要靠网卡驱动程序。 网卡驱动从 IP 模块获取到包之后,会将其复制到网卡内的缓存区中,接着会其开头加上报头和起始帧分界符,在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。
下面来看一下包是如何通过交换机的。交换机的设计是将网络包原样转发到目的地。交换机工作在 MAC 层,也称为二层网络设备。
交换机的包接收操作
首先,电信号到达网线接口,交换机里的模块进行接收,接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号。 然后通过包末尾的 FCS 校验错误,如果没问题则放到缓冲区。这部分操作基本和计算机的网卡相同,但交换机的工作方式和网卡不同。 计算机的网卡本身具有 MAC 地址,并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的,如果不是发给自己的则丢弃;相对地,交换机的端口不核对接收方 MAC 地址,而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此,和网卡不同,交换机的端口不具有 MAC 地址。 将包存入缓冲区后,接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。 交换机的 MAC 地址表主要包含两个信息:
一个是设备的 MAC 地址,
另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。
交换机的 MAC 地址表 举个例子,如果收到的包的接收方 MAC 地址为 00-02-B3-1C-9C-F9,则与图中表中的第 3 行匹配,根据端口列的信息,可知这个地址位于 3 号端口上,然后就可以通过交换电路将包发送到相应的端口了。 所以,交换机根据 MAC 地址表查找 MAC 地址,然后将信号发送到相应的端口。
当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址会怎么样?
地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包,或者这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表中删除了。 这种情况下,交换机无法判断应该把包转发到哪个端口,只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上,无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包。 这样做不会产生什么问题,因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络的,然后只有相应的接收者才接收包,而其他设备则会忽略这个包。 有人会说:“这样做会发送多余的包,会不会造成网络拥塞呢?” 其实完全不用过于担心,因为发送了包之后目标设备会作出响应,只要返回了响应包,交换机就可以将它的地址写入 MAC 地址表,下次也就不需要把包发到所有端口了。 局域网中每秒可以传输上千个包,多出一两个包并无大碍。 此外,如果接收方 MAC 地址是一个广播地址,那么交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。 以下两个属于广播地址:
因为路由器是基于 IP 设计的,俗称三层网络设备,路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址;
而交换机是基于以太网设计的,俗称二层网络设备,交换机的端口不具有 MAC 地址。
路由器基本原理
路由器的端口具有 MAC 地址,因此它就能够成为以太网的发送方和接收方;同时还具有 IP 地址,从这个意义上来说,它和计算机的网卡是一样的。 当转发包时,首先路由器端口会接收发给自己的以太网包,然后路由表查询转发目标,再由相应的端口作为发送方将以太网包发送出去。
路由器的包接收操作
首先,电信号到达网线接口部分,路由器中的模块会将电信号转成数字信号,然后通过包末尾的 FCS 进行错误校验。 如果没问题则检查 MAC 头部中的接收方 MAC 地址,看看是不是发给自己的包,如果是就放到接收缓冲区中,否则就丢弃这个包。 总的来说,路由器的端口都具有 MAC 地址,只接收与自身地址匹配的包,遇到不匹配的包则直接丢弃。
查询路由表确定输出端口
完成包接收操作之后,路由器就会去掉包开头的 MAC 头部。 MAC 头部的作用就是将包送达路由器,其中的接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址。因此,当包到达路由器之后,MAC 头部的任务就完成了,于是 MAC 头部就会被丢弃。 接下来,路由器会根据 MAC 头部后方的 IP 头部中的内容进行包的转发操作。 转发操作分为几个阶段,首先是查询路由表判断转发目标。 路由器转发 具体的工作流程根据上图,举个例子。 假设地址为 10.10.1.101 的计算机要向地址为 192.168.1.100 的服务器发送一个包,这个包先到达图中的路由器。 判断转发目标的第一步,就是根据包的接收方 IP 地址查询路由表中的目标地址栏,以找到相匹配的记录。 路由匹配和前面讲的一样,每个条目的子网掩码和 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后,得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配,如果匹配就会作为候选转发目标,如果不匹配就继续与下个条目进行路由匹配。 如第二条目的子网掩码 255.255.255.0 与 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后,得到结果是 192.168.1.0 ,这与第二条目的目标地址 192.168.1.0 匹配,该第二条目记录就会被作为转发目标。 实在找不到匹配路由时,就会选择默认路由,路由表中子网掩码为 0.0.0.0 的记录表示「默认路由」。
路由器的发送操作
接下来就会进入包的发送操作。 首先,我们需要根据路由表的网关列判断对方的地址。
如果网关是一个 IP 地址,则这个IP 地址就是我们要转发到的目标地址,还未抵达终点,还需继续需要路由器转发。
如果网关为空,则 IP 头部中的接收方 IP 地址就是要转发到的目标地址,也是就终于找到 IP 包头里的目标地址了,说明已抵达终点。
知道对方的 IP 地址之后,接下来需要通过 ARP 协议根据 IP 地址查询 MAC 地址,并将查询的结果作为接收方 MAC 地址。 路由器也有 ARP 缓存,因此首先会在 ARP 缓存中查询,如果找不到则发送 ARP 查询请求。 接下来是发送方 MAC 地址字段,这里填写输出端口的 MAC 地址。还有一个以太类型字段,填写 0080 (十六进制)表示 IP 协议。 网络包完成后,接下来会将其转换成电信号并通过端口发送出去。这一步的工作过程和计算机也是相同的。 发送出去的网络包会通过交换机到达下一个路由器。由于接收方 MAC 地址就是下一个路由器的地址,所以交换机会根据这一地址将包传输到下一个路由器。 接下来,下一个路由器会将包转发给再下一个路由器,经过层层转发之后,网络包就到达了最终的目的地。 不知你发现了没有,在网络包传输的过程中,源 IP 和目标 IP 始终是不会变的,一直变化的是 MAC 地址,因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。