詳解輸入網址點擊回車，后臺到底發(fā)生了什么。透析 HTTP 協(xié)議與 TCP 連接之間的千絲萬縷的關系。掌握為何是三次握手四次揮手？time_wait 存在的意義是什么？全面圖解重點問題，再也不用擔心面試問這個問題。

大致流程

• URL 解析，解析 http 協(xié)議、端口、資源地址。

• DNS 查詢：首先查詢本地 host，再訪問 DNS 服務器將 域名解析成 ip 地址。

• 建立 TCP 連接。

• 服務器收到請求后處理，并且構造響應返回給客戶端。

• 客戶端接收 HTTP 報文響應。

• 渲染頁面，最后有可能會四次揮手斷開連接，也可能不會而是復用連接。

重點來了：

• 如何理解 TCP 的三次握手與四次揮手？每次握手客戶端與服務端是怎樣的狀態(tài)？

• 為何揮手會出現(xiàn) 2MSL，遇到大量 Socket 處在 TIME_WAIT 或者 CLOSE_WAIT 狀態(tài)是什么問題？

• 三次握手與四次揮手的過程是怎樣的？

• HTTP 的報文格式又是怎樣的？

繼續(xù)閱讀本文，且聽磊哥答疑解惑。

URL 解析

比如在思否發(fā)布的一篇文章的地址：https://segmentfault.com/a/1190000023475177。url 遵守的規(guī)則是這個樣子

scheme://host.domain:port/path/filename

每個名詞的含義如下解釋：

• scheme 定義應用層協(xié)議類型，比如 http、https、 ftp 等；

• host 定義域主機（http 的默認主機是 www）；

• domain ?定義因特網域名，比如 segmentfault.com；

• port 主機的端口，http 默認是 80, https 默認是 443；

• path 服務器上的資源路徑；

• filename - 定義文檔/資源的名稱；

DNS 查詢

瀏覽器不能直接通過域名找到服務器，只能通過 IP 地址。

那瀏覽器是如何通過域名查詢到我們輸入的 url 對應的 IP 呢？

• 瀏覽器緩存：按照一定頻率緩存 DNS 數(shù)據(jù)。

• 操作系統(tǒng)緩存：如果瀏覽器緩存好啊不到記錄則去操作系統(tǒng)中找。

• 路由緩存：路由器 DNS 緩存。

• ISP 的 DNS 服務器：ISP 是互聯(lián)網服務提供商(Internet Service Provider)的簡稱，ISP 有專門的 DNS 服務器應對 DNS 查詢請求。

• 根服務器：ISP 的 DNS 服務器還找不到的話，它就會向根服務器發(fā)出請求，進行遞歸查詢（DNS 服務器先問根域名服務器.com 域名服務器的 IP 地址，然后再問 .baidu 域名服務器，依次類推）

TCP 連接建立與斷開

通過域名解析出 IP 地址以后就要建立 TCP/IP 連接了。

TCP/IP 分為四層，每一層都會加上一個頭部再發(fā)送給下一層。到了接收方后，對應的每一層則把對應層的頭部解析拆除，丟上上一層，跟發(fā)送端的過程反過來。

TCP/IP四層模型

應用層：發(fā)送 HTTP 請求

瀏覽器從地址欄得到服務器 IP，接著構造一個 HTTP 報文，其中包括：

• 請求行包含請求方法、URL、協(xié)議版本

• 請求報頭(Request Header)：由 “關鍵字: 值”對組成，每行一對，關鍵字與值使用英文 “:” 分割

• 請求體：請求參數(shù)，并不是所有的請求有又請求參數(shù)。一般 get 參數(shù) 的格式 name=tom&password=1234&realName=tomson,也可以將參數(shù)放在 body 里面。

傳輸層：TCP 傳輸報文

在傳輸報文之前會先建立 TCP/IP 連接，也就是后面我們要說的三次握手。

在這一層解決了數(shù)據(jù)可靠傳輸、及流量控制、擁塞控制。

可靠傳輸

對于發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收方在接受到數(shù)據(jù)之后必須要給予確認，確認它收到了數(shù)據(jù)。如果在規(guī)定時間內，沒有給予確認則意味著接收方沒有接受到數(shù)據(jù)，然后發(fā)送方對數(shù)據(jù)進行重發(fā)。

TCP的可靠傳輸是通過確認和超時重傳的機制來實現(xiàn)的，而確認和超時重傳的具體的實現(xiàn)是通過以字節(jié)為單位的滑動窗口機制來完成。

TCP擁塞控制

TCP協(xié)議通過慢啟動機制、擁塞避免機制、加速遞減機制、快重傳和快恢復機制來共同實現(xiàn)擁塞控制。

流量控制

采用通知窗口實現(xiàn)對發(fā)送端的流量控制，通知窗口大小的單位是字節(jié)。TCP通過在TCP數(shù)據(jù)段首部的窗口字段中填入當前設定的接收窗口(即通知窗口)的大小，用來告知對方 '我方當前的接收窗口大小'，以實現(xiàn)流量控制。

通信雙方的發(fā)送窗口大小由雙方在連接建立的時候商定，在通信過程，雙方可以動態(tài)地根據(jù)自己的情況調整對方的發(fā)送窗口大小。

網絡層：IP 協(xié)議查詢 MAC 地址

將數(shù)據(jù)段打包，并加入源及目標的 IP 地址，并且負責尋找傳輸路線。判斷目標地址是否與當前地址處于同一網絡中，是的話直接根據(jù) Mac 地址發(fā)送，否則使用路由表查找下一跳地址，以及使用 ARP 協(xié)議查詢它的 Mac 地址。

鏈路層：以太網協(xié)議

根據(jù)以太網協(xié)議將數(shù)據(jù)分為以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，每一幀分為兩個部分：

• 標頭：數(shù)據(jù)包的發(fā)送者、接受者、數(shù)據(jù)類型

• 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)包具體內容

Mac 地址

以太網規(guī)定了連入網絡的所有設備都必須具備“網卡”接口，數(shù)據(jù)包都是從一塊網卡傳遞到另一塊網卡，網卡的地址就是 Mac 地址。每一個 Mac 地址都是獨一無二的，具備了一對一的能力。

三次握手

在傳輸層傳輸數(shù)據(jù)之前需要建立連接，也就是三次握手創(chuàng)建可靠連接。

三次握手

首先建立鏈接前需要 Server 端先監(jiān)聽端口，因此 Server 端建立鏈接前的初始狀態(tài)就是 LISTEN 狀態(tài)，這時 Client 端準備建立鏈接，先發(fā)送一個 SYN 同步包，發(fā)送完同步包后，Client 端的鏈接狀態(tài)變成了 SYN_SENT 狀態(tài)。Server 端收到 SYN 后，同意建立鏈接，會向 Client 端回復一個 ACK。

由于 TCP 是雙工傳輸，Server 端也會同時向 Client 端發(fā)送一個 SYN，申請 Server 向 Client 方向建立鏈接。發(fā)送完 ACK 和 SYN 后，Server 端的鏈接狀態(tài)就變成了 SYN_RCVD。

Client 收到 Server 的 ACK 后，Client 端的鏈接狀態(tài)就變成了 ESTABLISHED 狀態(tài)，同時，Client 向 Server 端發(fā)送 ACK，回復 Server 端的 SYN 請求。

Server 端收到 Client 端的 ACK 后，Server 端的鏈接狀態(tài)也就變成了的 ESTABLISHED 狀態(tài)，此時建連完成，雙方隨時可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

在面試時需要明白三次握手是為了建立雙向的鏈接，需要記住 Client 端和 Server 端的鏈接狀態(tài)變化。另外回答建連的問題時，可以提到 SYN 洪水攻擊發(fā)生的原因，就是 Server 端收到 Client 端的 SYN 請求后，發(fā)送了 ACK 和 SYN，但是 Client 端不進行回復，導致 Server 端大量的鏈接處在 SYN_RCVD 狀態(tài)，進而影響其他正常請求的建連。可以設置 tcp_synack_retries = 0 加快半鏈接的回收速度，或者調大 tcp_max_syn_backlog 來應對少量的 SYN 洪水攻擊

四次揮手

我們只要關注 80 端口與 13743 端口建立的連接斷開過程，瀏覽器通過 13747 端口發(fā)送 [FIN, ACK] 這里是不是跟很多網上看到的不一樣？

其實是客戶端在發(fā)送 [FIN] 報文的時候順帶發(fā)了一個 [ACK] 確認上次傳輸確認。

接著服務端通過 80 端口響應了 [ACK] ，然后立馬響應 [FIN, ACK] 表示數(shù)據(jù)傳輸完了，可以關閉連接。

最后瀏覽器通過 13743 端口 發(fā)送 [ACK] 包給服務端，客服端與服務端連接就關閉了。

具體流程如下圖抓包所示：

四次揮手

三次握手與四次揮手

TCP 連接與斷開

客戶端：

• SYN_SENT - 客戶端發(fā)起第 1 次握手后，連接狀態(tài)為 SYN_SENT ，等待服務端內核進行應答，如果服務端來不及處理（例如服務端的 backlog 隊列已滿）就可以看到這種狀態(tài)的連接。

• ESTABLISHED - 表示連接處于正常狀態(tài)，可以進行數(shù)據(jù)傳送。客戶端收到服務器回復的 SYN+ACK 后，對服務端的 SYN 單獨回復（第 3 次握手），連接建立完成，進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。服務端程序收到第 3 次握手包后，也進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

• FIN_WAIT_1 - 客戶端發(fā)送了關閉連接的 FIN 報文后，等待服務端回復 ACK 確認。

• FIN_WAIT_2 - 表示我方已關閉連接，正在等待服務端關閉。客戶端發(fā)了關閉連接的 FIN 報文后，服務器發(fā)回 ACK 應答，但是沒進行關閉，就會處于這種狀態(tài)。

• TIME_WAIT - 雙方都正常關閉連接后，客戶端會維持 TIME_WAIT 一段時間，以確保最后一個 ACK 能成功發(fā)送到服務器端。停留時長為 2 倍的 MSL (報文最大生存時間)，Linux 下大約是 60 秒。所以在一個頻繁建立短連接的服務器上通常可以看到成千上萬的 TIME_WAIT 連接。

服務端：

• LISTEN - 表示當前程序正在監(jiān)聽某個端口時。

• SYN_RCVD - 服務端收到第 1 次握手后，進入 SYN_RCVD 狀態(tài)，并回復一個 SYN+ACK（第 2 次握手），再等待對方確認。

• ESTABLISHED - 表示連接處于正常狀態(tài)，可以進行數(shù)據(jù)傳送。完成 TCP3 次握手后，連接建立完成，進入 ESTABLISHED 狀態(tài)。

• CLOSE_WAIT - 表示客戶端已經關閉連接，但是本地還沒關閉，正在等待本地關閉。有時客戶端程序已經退出了，但服務端程序由于異常或 BUG 沒有調用 close()函數(shù)對連接進行關閉，那在服務器這個連接就會一直處于 CLOSE_WAIT 狀態(tài)，而在客戶機已經不存在這個連接了。

• LAST_ACK - 表示正在等待客戶端對服務端的關閉請求進行最終確認。

TIME_WAIT 狀態(tài)存在的理由：

劃重點了

• 可靠地實現(xiàn) TCP 全雙工連接的終止 在進行關閉連接四路握手協(xié)議時，最后的 ACK 是由主動關閉端發(fā)出的，如果這個最終的 ACK 丟失，服務器將重發(fā)最終的 FIN，因此客戶端必須維護狀態(tài)信息允 許它重發(fā)最終的 ACK。如 果不維持這個狀態(tài)信息，那么客戶端將響應 RST 分節(jié)，服務器將此分節(jié)解釋成一個錯誤（ 在 java 中會拋出 connection reset 的 SocketException)。因而，要實現(xiàn) TCP 全雙工連接的正常終 止，必須處理終止序列四個分節(jié)中任何一個分節(jié)的丟失情況，主動關閉 的客戶端必須維持狀 態(tài)信息進入 TIME_WAIT 狀態(tài)。

• 允許老的重復分節(jié)在網絡中消逝 TCP 分節(jié)可能由于路由器異常而“迷途”，在迷途期間，TCP 發(fā)送端可能因確認超時而重發(fā)這個 分節(jié)，迷途的分節(jié)在路由器修復后也會被送到最終目的地，這個 原來的迷途分節(jié)就稱為 lost duplicate。在關閉一個 TCP 連接后，馬上又重新建立起一個相同的 IP 地址和端口之間的 TCP 連接，后一個連接被稱為前一個連接的化身 （ incarnation)，那么有可能出現(xiàn)這種情況，前一 個連接的迷途重復分組在前一個連接終止后出現(xiàn)，從而被誤解成從屬于新的化身。為了避免 這個情 況，TCP 不允許處于 TIME_WAIT 狀態(tài)的連接啟動一個新的化身，因為 TIME_WAIT 狀 態(tài)持續(xù) 2MSL，就可以保證當成功建立一個 TCP 連接的時 候，來自連接先前化身的重復分組已 經在網絡中消逝。

另外回答斷鏈的問題時，可以提到實際應用中有可能遇到大量 Socket 處在 TIME_WAIT 或者 CLOSE_WAIT 狀態(tài)的問題。一般開啟 tcp_tw_reuse 和 tcp_tw_recycle 能夠加快 TIME-WAIT 的 Sockets 回收；而大量 CLOSE_WAIT 可能是被動關閉的一方存在代碼 bug，沒有正確關閉鏈接導致的。

簡單地說就是

保證 TCP 協(xié)議的全雙工連接能夠可靠關閉；

保證這次連接的重復數(shù)據(jù)段從網絡中消失，防止端口被重用時可能產生數(shù)據(jù)混淆；

服務器處理請求并響應HTTP報文

深入分析下 HTTP 報文到底是什么玩意。數(shù)據(jù)傳輸都是通過 TCP/IP 協(xié)議負責底層的傳輸工作， HTTP 協(xié)議基本不用操心，所謂的 “超文本傳輸協(xié)議” 似乎不怎么例會 “傳輸” 這個事情，那 HTTP 的核心又是什么呢？

比圖 TCP 報文，它在實際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之前附加了一個 20 字節(jié)的頭部數(shù)據(jù)，存儲 TCP 協(xié)議必須的額外信息，例如發(fā)送方的端口號、接收方的端口號、包序號、標志位等等。

有了這個附加的 TCP 頭，數(shù)據(jù)包才能夠正確傳輸，到了目的地后把頭部去掉，就可以拿到真正的數(shù)據(jù)。這個很容易理解，設置起點與終點，不同協(xié)議貼上不同的頭部，到了對應目的地就拆下這個頭部，提取真正的數(shù)據(jù)。

HTTP報文

與 TCP/UDP 類似需要在傳輸數(shù)據(jù)前設置一些請求頭，不同的是 HTTP 是一個 “純文本” 的協(xié)議，所有的頭都是 ASCII 碼的文本，很容易看出來是什么。

再者就是他的請求報文與響應報文的結構基本一樣，主要三大部分組成：

起始行(Start Line)：描述請求或者響應的基本信息。

Header：使用 key-value 的形式詳細說明報文信息。

空行。

消息正文（Entity）：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，圖片、視頻、文本等都可以。

這其中前兩部分起始行和頭部字段經常又合稱為“請求頭”或“響應頭”，消息正文又稱為“實體”，但與“header”對應，很多時候就直接稱為“body”。

敲黑板了

HTTP 協(xié)議規(guī)定報文必須包含 Header，而且之后必須有一個 “空行”，也就是“CRLF”，十六進制的“0D0A”，可以沒有 “body”。

報文結構如下圖所示：

HTTP報文

截取一段報文：

透視HTTP協(xié)議

請求頭-起始行

請求行由請求方法字段、URL 字段和 HTTP 協(xié)議版本字段 3 個字段組成，它們用空格分隔。例如，GET / HTTP/1.1。

HTTP 協(xié)議的請求方法有 GET、POST、HEAD、PUT、DELETE、OPTIONS、TRACE、CONNECT。

GET 是請求方法， “/” 是請求的目標資源，“HTTP/1.1” 請求協(xié)議版本號。

GET / HTTP/1.1 翻譯成文字大概就是：“hello，服務器，我要請求根目錄下的默認文件使用的是 HTTP 1.1 協(xié)議版本”。

頭部 Header

第二部分就是 Header，組成形式是 key：value，使用自定義頭需要注意事項：

header 字段不區(qū)分大小寫，通常是首字母大寫；

字段名不允許有空格，可以使用 “-”，不能使用 “_”；

字段名必須緊接著 “:”，不能有空格，但是 “:” 后面可以有空格。

字段名順序沒有意義；

瀏覽器接收響應并渲染數(shù)據(jù)

接收到響應文本 HTML，則開始執(zhí)行瀏覽器渲染機制。

不同的瀏覽器渲染可能有所差異，但是基本按照以下步驟執(zhí)行：

根據(jù) HTML 解析 DOM 樹；

根據(jù) CSS 解析出 CSS 規(guī)則樹；

結合 DOM 樹與 CSS 規(guī)則樹，生成渲染樹；

根據(jù)生成的渲染樹計算每個節(jié)點的信息；

根據(jù)節(jié)點信息繪制畫面展示給用戶。

瀏覽器渲染頁面

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總結

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