前端开发就从认识浏览器开始 - 浏览器处理请求的过程-白红宇

前端开发就从认识浏览器开始 - 浏览器处理请求的过程

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发布时间：2019-06-14

本文共 8701 字，大约阅读时间需要 29 分钟。

　　既然是做前端开发的，打交道最多的就是浏览器，如果我们对浏览器的工作方式、处理任务、工作原理、相关组成部分有更多的了解， 　　会不会有助于我们的前端技术水平提高呢？ 　　答案是肯定的。

我们就从当我们在浏览器地址栏输入一个url然后回车后，此后浏览器都做了什么工作说起，由于整个流程过于复杂，一些和前端不相干的知识已过滤掉。

解析URL

浏览器通过 URL 能够知道下面的信息：
- Protocol "http"
  
  使用HTTP协议
- Resource "/"
  
  请求的资源是主页(index)

输入的是 URL 还是搜索的关键字？

当协议或主机名不合法时，浏览器会将地址栏中输入的文字传给默认的搜索引擎。大部分情况下，在把文字传递给搜索引擎的时候，URL会带有特定的一串字符，用来告诉搜索引擎这次搜索来自这个特定浏览器。

转换非 ASCII 的 Unicode 字符

浏览器检查输入是否含有不是 a-z， A-Z，0-9， - 或者 . 的字符

这里主机名是 google.com ，所以没有非ASCII的字符；如果有的话，浏览器会对主机名部分使用编码

检查 HSTS 列表

浏览器检查自带的“预加载 HSTS（HTTP严格传输安全）”列表，这个列表里包含了那些请求浏览器只使用HTTPS进行连接的网站

如果网站在这个列表里，浏览器会使用 HTTPS 而不是 HTTP 协议，否则，最初的请求会使用HTTP协议发送

注意，一个网站哪怕不在 HSTS 列表里，也可以要求浏览器对自己使用 HSTS 政策进行访问。浏览器向网站发出第一个 HTTP 请求之后，网站会返回浏览器一个响应，请求浏览器只使用 HTTPS 发送请求。然而，就是这第一个 HTTP 请求，却可能会使用户受到的威胁，这也是为什么现代浏览器都预置了 HSTS 列表。

DNS 查询

浏览器检查域名是否在缓存当中（要查看 Chrome 当中的缓存，打开 chrome://net-internals/#dns）。

如果缓存中没有，就去调用 gethostbyname 库函数（操作系统不同函数也不同）进行查询。

gethostbyname 函数在试图进行DNS解析之前首先检查域名是否在本地 Hosts 里，Hosts 的位置

如果 gethostbyname 没有这个域名的缓存记录，也没有在 hosts 里找到，它将会向 DNS 服务器发送一条 DNS 查询请求。DNS 服务器是由网络通信栈提供的，通常是本地路由器或者 ISP 的缓存 DNS 服务器。

查询本地 DNS 服务器

如果 DNS 服务器和我们的主机在同一个子网内，系统会按照下面的 ARP 过程对 DNS 服务器进行 ARP查询

如果 DNS 服务器和我们的主机在不同的子网，系统会按照下面的 ARP 过程对默认网关进行查询

ARP 过程

要想发送 ARP（地址解析协议）广播，我们需要有一个目标 IP 地址，同时还需要知道用于发送 ARP 广播的接口的 MAC 地址。

首先查询 ARP 缓存，如果缓存命中，我们返回结果：目标 IP = MAC

如果缓存没有命中：

查看路由表，看看目标 IP 地址是不是在本地路由表中的某个子网内。是的话，使用跟那个子网相连的接口，否则使用与默认网关相连的接口。

查询选择的网络接口的 MAC 地址

我们发送一个二层（中的数据链路层）ARP 请求：

ARP Request:

Sender MAC: interface:mac:address:hereSender IP: interface.ip.goes.hereTarget MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF (Broadcast)Target IP: target.ip.goes.here

根据连接主机和路由器的硬件类型不同，可以分为以下几种情况：

直连：

如果我们和路由器是直接连接的，路由器会返回一个 ARP Reply （见下面）。

集线器：

如果我们连接到一个集线器，集线器会把 ARP 请求向所有其它端口广播，如果路由器也“连接”在其中，它会返回一个 ARP Reply 。

交换机：

如果我们连接到了一个交换机，交换机会检查本地 CAM/MAC 表，看看哪个端口有我们要找的那个 MAC 地址，如果没有找到，交换机会向所有其它端口广播这个 ARP 请求。

如果交换机的 MAC/CAM 表中有对应的条目，交换机会向有我们想要查询的 MAC 地址的那个端口发送 ARP 请求

如果路由器也“连接”在其中，它会返回一个 ARP Reply

ARP Reply:

Sender MAC: target:mac:address:hereSender IP: target.ip.goes.hereTarget MAC: interface:mac:address:hereTarget IP: interface.ip.goes.here

现在我们有了 DNS 服务器或者默认网关的 IP 地址，我们可以继续 DNS 请求了：

使用 53 端口向 DNS 服务器发送 UDP 请求包，如果响应包太大，会使用 TCP 协议

如果本地/ISP DNS 服务器没有找到结果，它会发送一个递归查询请求，一层一层向高层 DNS 服务器做查询，直到查询到起始授权机构，如果找到会把结果返回

使用套接字

当浏览器得到了目标服务器的 IP 地址，以及 URL 中给出来端口号（http 协议默认端口号是 80， https 默认端口号是 443），它会调用系统库函数 socket ，请求一个 TCP流套接字，对应的参数是 AF_INET/AF_INET6 和 SOCK_STREAM 。

这个请求首先被交给传输层，在传输层请求被封装成 TCP segment。目标端口会被加入头部，源端口会在系统内核的动态端口范围内选取（Linux下是ip_local_port_range)

TCP segment 被送往网络层，网络层会在其中再加入一个 IP 头部，里面包含了目标服务器的IP地址以及本机的IP地址，把它封装成一个IP packet。

这个 TCP packet 接下来会进入链路层，链路层会在封包中加入 frame 头部，里面包含了本地内置网卡的MAC地址以及网关（本地路由器）的 MAC 地址。像前面说的一样，如果内核不知道网关的 MAC 地址，它必须进行 ARP 广播来查询其地址。

到了现在，TCP 封包已经准备好了，可以使用下面的方式进行传输：

对于大部分家庭网络和小型企业网络来说，封包会从本地计算机出发，经过本地网络，再通过调制解调器把数字信号转换成模拟信号，使其适于在电话线路，有线电视光缆和无线电话线路上传输。在传输线路的另一端，是另外一个调制解调器，它把模拟信号转换回数字信号，交由下一个处理。节点的目标地址和源地址将在后面讨论。

大型企业和比较新的住宅通常使用光纤或直接以太网连接，这种情况下信号一直是数字的，会被直接传到下一个进行处理。

最终封包会到达管理本地子网的路由器。在那里出发，它会继续经过自治区域(autonomous system, 缩写 AS)的边界路由器，其他自治区域，最终到达目标服务器。一路上经过的这些路由器会从IP数据报头部里提取出目标地址，并将封包正确地路由到下一个目的地。IP数据报头部 time to live (TTL) 域的值每经过一个路由器就减1，如果封包的TTL变为0，或者路由器由于网络拥堵等原因封包队列满了，那么这个包会被路由器丢弃。

上面的发送和接受过程在 TCP 连接期间会发生很多次：

客户端选择一个初始序列号(ISN)，将设置了 SYN 位的封包发送给服务器端，表明自己要建立连接并设置了初始序列号

服务器端接收到 SYN 包，如果它可以建立连接：
- 服务器端选择它自己的初始序列号
- 服务器端设置 SYN 位，表明自己选择了一个初始序列号
- 服务器端把 (客户端ISN + 1) 复制到 ACK 域，并且设置 ACK 位，表明自己接收到了客户端的第一个封包

客户端通过发送下面一个封包来确认这次连接：
- 自己的序列号+1
- 接收端 ACK+1
- 设置 ACK 位

数据通过下面的方式传输：
- 当一方发送了N个 Bytes 的数据之后，将自己的 SEQ 序列号也增加N
- 另一方确认接收到这个数据包（或者一系列数据包）之后，它发送一个 ACK 包，ACK 的值设置为接收到的数据包的最后一个序列号

关闭连接时：
- 要关闭连接的一方发送一个 FIN 包
- 另一方确认这个 FIN 包，并且发送自己的 FIN 包
- 要关闭的一方使用 ACK 包来确认接收到了 FIN

TLS 握手

客户端发送一个 ClientHello 消息到服务器端，消息中同时包含了它的 Transport Layer Security (TLS) 版本，可用的加密算法和压缩算法。

服务器端向客户端返回一个 ServerHello 消息，消息中包含了服务器端的TLS版本，服务器所选择的加密和压缩算法，以及数字证书认证机构（Certificate Authority，缩写 CA）签发的服务器公开证书，证书中包含了公钥。客户端会使用这个公钥加密接下来的握手过程，直到协商生成一个新的对称密钥

客户端根据自己的信任CA列表，验证服务器端的证书是否可信。如果认为可信，客户端会生成一串伪随机数，使用服务器的公钥加密它。这串随机数会被用于生成新的对称密钥

服务器端使用自己的私钥解密上面提到的随机数，然后使用这串随机数生成自己的对称主密钥

客户端发送一个 Finished 消息给服务器端，使用对称密钥加密这次通讯的一个散列值

服务器端生成自己的 hash 值，然后解密客户端发送来的信息，检查这两个值是否对应。如果对应，就向客户端发送一个 Finished 消息，也使用协商好的对称密钥加密

从现在开始，接下来整个 TLS 会话都使用对称秘钥进行加密，传输应用层（HTTP）内容

HTTP 协议

如果浏览器是 Google 出品的，它不会使用 HTTP 协议来获取页面信息，而是会与服务器端发送请求，商讨使用 SPDY 协议。

如果浏览器使用 HTTP 协议而不支持 SPDY 协议，它会向服务器发送这样的一个请求:

GET / HTTP/1.1Host: google.comConnection: close[其他头部]

“其他头部”包含了一系列的由冒号分割开的键值对，它们的格式符合HTTP协议标准，它们之间由一个换行符分割开来。（这里我们假设浏览器没有违反HTTP协议标准的bug，同时假设浏览器使用 HTTP/1.1 协议，不然的话头部可能不包含 Host 字段，同时 GET 请求中的版本号会变成 HTTP/1.0 或者 HTTP/0.9 。）

HTTP/1.1 定义了“关闭连接”的选项 "close"，发送者使用这个选项指示这次连接在响应结束之后会断开。例如：

Connection:close

不支持持久连接的 HTTP/1.1 应用必须在每条消息中都包含 "close" 选项。

在发送完这些请求和头部之后，浏览器发送一个换行符，表示要发送的内容已经结束了。

服务器端返回一个响应码，指示这次请求的状态，响应的形式是这样的:

200 OK[响应头部]

然后是一个换行，接下来有效载荷(payload)，也就是 www.google.com 的HTML内容。服务器下面可能会关闭连接，如果客户端请求保持连接的话，服务器端会保持连接打开，以供之后的请求重用。

如果浏览器发送的HTTP头部包含了足够多的信息（例如包含了 Etag 头部），以至于服务器可以判断出，浏览器缓存的文件版本自从上次获取之后没有再更改过，服务器可能会返回这样的响应:

304 Not Modified[响应头部]

这个响应没有有效载荷，浏览器会从自己的缓存中取出想要的内容。

在解析完 HTML 之后，浏览器和客户端会重复上面的过程，直到HTML页面引入的所有资源（图片，CSS，favicon.ico等等）全部都获取完毕，区别只是头部的 GET / HTTP/1.1 会变成 GET /$(相对www.google.com的URL) HTTP/1.1 。

如果HTML引入了 www.google.com 域名之外的资源，浏览器会回到上面解析域名那一步，按照下面的步骤往下一步一步执行，请求中的 Host 头部会变成另外的域名。

HTTP 服务器请求处理

HTTPD(HTTP Daemon)在服务器端处理请求/响应。最常见的 HTTPD 有 Linux 上常用的 Apache 和 nginx，以及 Windows 上的 IIS。

HTTPD 接收请求

服务器把请求拆分为以下几个参数：
- HTTP 请求方法(GET, POST, HEAD, PUT, DELETE, CONNECT, OPTIONS, 或者 TRACE)。直接在地址栏中输入 URL 这种情况下，使用的是 GET 方法
- 域名：google.com
- 请求路径/页面：/ (我们没有请求google.com下的指定的页面，因此 / 是默认的路径)

服务器验证其上已经配置了 google.com 的虚拟主机

服务器验证 google.com 接受 GET 方法

服务器验证该用户可以使用 GET 方法(根据 IP 地址，身份信息等)

如果服务器安装了 URL 重写模块（例如 Apache 的 mod_rewrite 和 IIS 的 URL Rewrite），服务器会尝试匹配重写规则，如果匹配上的话，服务器会按照规则重写这个请求

服务器根据请求信息获取相应的响应内容，这种情况下由于访问路径是 "/" ,会访问首页文件（你可以重写这个规则，但是这个是最常用的）。

服务器会使用指定的处理程序分析处理这个文件，假如 Google 使用 PHP，服务器会使用 PHP 解析 index 文件，并捕获输出，把 PHP 的输出结果返回给请求者

浏览器背后的故事

当服务器提供了资源之后（HTML，CSS，JS，图片等），浏览器会执行下面的操作：

解析 —— HTML，CSS，JS

渲染 —— 构建 DOM 树 -> 渲染 -> 布局 -> 绘制

浏览器

浏览器的功能是从服务器上取回你想要的资源，然后展示在浏览器窗口当中。资源通常是 HTML 文件，也可能是 PDF，图片，或者其他类型的内容。资源的位置通过用户提供的 URI(Uniform Resource Identifier) 来确定。

浏览器解释和展示 HTML 文件的方法，在 HTML 和 CSS 的标准中有详细介绍。这些标准由 Web 标准组织 W3C(World Wide Web Consortium) 维护。

不同浏览器的用户界面大都十分接近，有很多共同的 UI 元素：

一个地址栏

后退和前进按钮

书签选项

刷新和停止按钮

主页按钮

浏览器高层架构

组成浏览器的组件有：

用户界面用户界面包含了地址栏，前进后退按钮，书签菜单等等，除了请求页面之外所有你看到的内容都是用户界面的一部分

浏览器引擎浏览器引擎负责让 UI 和渲染引擎协调工作

渲染引擎渲染引擎负责展示请求内容。如果请求的内容是 HTML，渲染引擎会解析 HTML 和 CSS，然后将内容展示在屏幕上

网络组件网络组件负责网络调用，例如 HTTP 请求等，使用一个平台无关接口，下层是针对不同平台的具体实现

UI后端 UI 后端用于绘制基本 UI 组件，例如下拉列表框和窗口。UI 后端暴露一个统一的平台无关的接口，下层使用操作系统的 UI 方法实现

Javascript 引擎 Javascript 引擎用于解析和执行 Javascript 代码

数据存储数据存储组件是一个持久层。浏览器可能需要在本地存储各种各样的数据，例如 Cookie 等。浏览器也需要支持诸如 localStorage，IndexedDB，WebSQL 和 FileSystem 之类的存储机制

HTML 解析

浏览器渲染引擎从网络层取得请求的文档，一般情况下文档会分成8kB大小的分块传输。

HTML 解析器的主要工作是对 HTML 文档进行解析，生成解析树。

解析树是以 DOM 元素以及属性为节点的树。DOM是文档对象模型(Document Object Model)的缩写，它是 HTML 文档的对象表示，同时也是 HTML 元素面向外部(如Javascript)的接口。树的根部是"Document"对象。整个 DOM 和 HTML 文档几乎是一对一的关系。

解析算法

HTML不能使用常见的自顶向下或自底向上方法来进行分析。主要原因有以下几点: