前言
在个人电脑上，用浏览器冲浪是再常用不过的一个操作了，但在浏览器中输入网址按下回车键背后发生的网络事件你清楚吗？
背景知识
协议栈
1、网络协议分层，其好处：
- 促进标准化工作，允许各个供应商进行开发；
- 各层间相互独立，把网络操作分成低复杂单元；
- 灵活性好，某一层变化不会影响到其它层；
- 各层间通过一个接口在相邻层上下通信。
2、PDU，即protocol data unit，每一层使用自己层的协议和别的系统的对应层相互通信，协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单元。各层的PDU如下：
- 上层：message
- 传输层：segment
- 网络层：packet
- 数据链路层frame
- 物理层：bit
3、封装和解封装
- 封装：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫封装
封装分为：分片（和MTU、MSS有关系）和加控制头信息
- 解封装：上述的逆向过程
OSI七层 vs TCP/IP五层架构
各层地址
- 物理层：无地址，比如以太网直接是通过双绞线连接，WLAN有单独的协议保证物理层的连接；
- 链路层：MAC地址，设备出厂时会设定好，而且这个地址可以映射到网卡供应商的（OUI字段）；
- 网络层：IP地址，具体分为IPv4和IPv6两种，一般有三种获取方法：静态配置、DHCP、PPPoE三种方式；
- 传输层：端口，标识某个服务（如DHCP使用UDP67和68两个端口）或程序；
- 应用层：无地址，主要依赖于网络层+传输层地址，来唯一标识一个应用，如某路由器的维护网址（http://192.168.1.1:80），实际上对应socket的原型。
涉及协议
以访问web服务器、DHCP获取PC的地址为例，其中涉及的协议有：
TCP、IP、ARP、DNS、DHCP等，具体而言：
- ARP：用于根据IP地址去查询对应主机的MAC地址；
- DHCP：用于上网主机动态获取IP地址；
- DNS：用于根据域名，解析出对应服务器的IP地址。
全过程解析
准备工作（Human）
这里以有线连接路由器LAN口为例来说明。
要上网，首先要用网线连接路由器的LAN口和PC的网口，物理层连好后，对应LAN口会发LINK UP消息给系统，进而触发下面后续操作。
这一步是人工介入的，后面多数由操作系统自动完成。
DHCP拿地址（OS）
- 链路层地址，前面提过，在网卡出厂时写死的，不需要单独的流程去获取。但PC上网需要的三层地址（IP地址），是需要额外的流程的，这里的DHCP过程就是获取IP地址用的。
- DHCP过程是操作系统自动完成的，不需要人工干预。
- DHCP这一步不再继续向下展开，实际上DHCP背后发送报文走的流程和网页数据走的TCP报文本质上是类似的。
打开网页，输入网址（www.csdn.net），按下回车（Human）
这一步是人工介入的，实际不光是打开网页，打开其他需要网络的APP，也是类似的过程。
DNS解析（Browser）
- 按下回车，此时浏览器程序会调用gethostbyname这类函数，进行dns解析。这里涉及DNS协议的实现，根据配置文件情况，可能从本地缓存查询，也可能向DNS服务器发起DNS请求（或UDP或TCP）；
hptr=gethostbyname(“www.csdn.net”)
- 解析的结果是根据域名查到了服务器的IP，比如根据www.csdn.net查到了其IP地址为47.95.164.112地址，此时浏览器程序获得服务器地址。
- DNS解析这一步不再继续向下展开，实际上DNS解析中gethostbyname背后发送数据走的流程和网页数据走的TCP报文本质上是类似的。
建TCP连接（Browser）
- 浏览器根据前一步DNS解析获得的IP地址，建立TCP socket（实际中是哪种类型的socket，跟具体的业务有关，HTTP是基于TCP的），并发起GET请求（HTTP协议），获取数据。
- 获取数据之后，将其显示在页面上。
- 下面是用C实现的部分获取页面信息的伪码，实际浏览器的逻辑类似：
/*create socket*/ struct sockaddr_in si; si.sin_family = AF_INET; si.sin_port = htons(80); si.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(ipstr); int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); if (sock == -1 || sock == -2) return ; /* connect server */ connect(sock, (SOCKADDR*)&si, sizeof(si)); /*send request to http server*/ char request[1024] = "GET /?st=1 HTTP/1.1\r\nHost:"; strcat(request, host); strcat(request, "\r\nConnection:Close\r\n\r\n"); int ret = send(sock, request, strlen(request), 0); /*get web page contents*/ FILE *f = fopen("recieved.txt", "w"); int isstart = 0; while (ret > 0) { const int bufsize = 1024; char* buf = (char*)calloc(bufsize, 1); ret = recv(sock, buf, bufsize - 1, 0); fprintf(f, "%s", buf); free(buf); } fclose(f); closesocket(sock);
传输层转发（TCP/IP协议栈-TCP）
在上一步建立TCP socket等相关操作，背后是大名鼎鼎的TCP三次握手：
路由转发（TCP/IP协议栈-IP层）
- IP层收到TCP层发来的报文后，根据目的IP（本文的csdn网站对应的IP地址）去查路由表，找到对应的表项（接口、下一跳），构建IP报文并从对应接口发送出去。
- 构造IP报文的时候，会去邻居系统查找下一跳IP对应目的MAC；
- 一台windows电脑的典型IP路由表如下：
Active Routes: Network Destination Netmask Gateway Interface Metric 0.0.0.0 0.0.0.0 10.42.113.129 10.42.113.132 20 10.42.113.128 255.255.255.192 10.42.113.132 10.42.113.132 20 10.42.113.132 255.255.255.255 127.0.0.1 127.0.0.1 20 10.255.255.255 255.255.255.255 10.42.113.132 10.42.113.132 20 127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 127.0.0.1 1 224.0.0.0 240.0.0.0 10.42.113.132 10.42.113.132 20 255.255.255.255 255.255.255.255 10.42.113.132 10.42.113.132 1 Default Gateway: 10.42.113.129
ARP解析（TCP/IP协议栈-ARP）
- ARP相关模块，也可以叫邻居子系统，主要用于维护目的IP和目的MAC的对应关系。
- 有本地有缓存，如果没有缓存则发起ARP请求去获取。
- 一个windows下的ARP表如下：
C:\Users\1024>arp -a 接口: 10.40.164.55 --- 0xb Internet 地址 物理地址 类型 10.42.164.2 74-41-14-16-ad-c0 动态 10.42.164.3 00-11-5e-00-01-01 动态
数据链路层（Windows驱动）
- 前面IP层找到对应出接口后，会调用对应接口的驱动发送函数将报文。
- 驱动发送报文的实质，就是操作PC机的网卡，将报文交给网卡发出。
物理层（网卡&网线）
- 以太网卡中数据链路层的芯片一般简称之为MAC控制器，物理层的芯片我们简称之为PHY，而许多网卡的芯片把MAC和PHY的功能做到了一颗芯片中。
- 数据从驱动下到MAC控制器，经由PHY，送到RJ45接口，之后数据就以物理信号的形式从网线传出去了。
总结
- 本文仅以有线为例来说明PC DHCP获取地址，有线上网的全过程，实际上无线上网、PPPoE方式也类似，读者可触类旁通。
- 最后盗张图整体看下浏览器上网过程中，上层应用数据的经过各的各组件以及其变化。
参考资料
- 《TCP/IP详解》
- 《网络是怎样连接的》
