DNS解析与网络通信过程
DNS服务器的工作机制
在真实的互联网中，一台DNS服务器通常可以存储多个域名的信息。实际上，同一台DNS服务器可能同时负责管理上级域和下级域的DNS记录。当访问上级域时，DNS服务器可以直接处理请求，而不必经过下级域的服务器，直接返回所需的域名解析信息。
这种共享DNS服务器的机制使得域名解析过程更加高效，因为请求可以在更早的阶段得到处理和响应，从而减少解析时间。此外，这也简化了域名解析的层级结构，使得同一台服务器能够有效管理多个相关域的解析任务。
DNS缓存机制
DNS服务器具有缓存功能,可以记住之前查询过的结果。这带来以下优势:
- 如果要查询的域名信息在缓存中,就可以直接返回响应。
- 后续查询可以从缓存的位置开始向下查询,减少从根域开始查询的时间。
- 对于不存在的域名,也会将"不存在"的结果缓存起来,加快后续访问速度。
缓存有效期
为了应对信息变更，DNS服务器存储的每条记录都有一个有效期，通常称为TTL（Time to Live）。当缓存的DNS记录超过了这个有效期后，缓存条目将被删除，需要重新从权威DNS服务器获取最新信息。
此外，当DNS服务器响应查询时，它还会告知客户端该响应数据的来源。如果响应是从缓存中获取的，服务器会标明这一点；而如果响应来自负责该域名的权威DNS服务器，则会明确指出这是权威响应。这种机制不仅确保了数据的时效性，还能让客户端了解所获取信息的可靠性。
IP地址的使用与协议栈
一旦获得目标服务器的IP地址，请求就会被委托给操作系统的协议栈，由它负责将数据发送到目标IP地址。这一过程不仅适用于Web浏览，还适用于所有使用网络的应用程序。操作系统的协议栈会处理数据的分组、路由、传输等任务，确保数据能够正确到达指定的目标服务器，无论应用程序类型如何，网络通信的底层机制都是由协议栈统一管理的。
Socket库的作用
与向DNS服务器查询IP地址类似，发送数据时同样需要使用Socket库中的程序组件。然而，发送数据的过程更加复杂，需要顺序调用多个程序组件，形成一系列操作的组合。
首先，需要创建一个套接字来建立与目标服务器的连接。接下来，程序通过调用相关组件将数据封装为网络数据包，并将其发送到指定的IP地址。这个过程中，涉及到数据的格式化、协议选择（如TCP或UDP）、数据分片、以及最终的数据传输。
每个组件的调用都必须按照严格的顺序进行，以确保数据能够正确地发送并到达目标服务器。这种顺序调用和操作组合，使得数据发送过程不仅可靠，而且可以适应不同的网络通信需求。
数据传输的可视化
我们可以将两台通信的计算机之间的连接想象成一条双向数据通道或管道:
- 数据沿着这个通道流动,最终到达目的地。
- 数据可以从一端输入,从另一端取走。
- 数据的流动是双向的,支持双向通信。
网络通信中的套接字(Socket)与数据传输过程
套接字(Socket)的概念与作用
套接字是网络通信中管道两端的出入口。创建和连接套接字是建立网络通信管道的关键步骤。
建立网络连接的过程
- 服务器端准备:
- 服务器首先创建套接字
- 进入等待状态,准备接受客户端连接
- 客户端发起连接:
- 客户端创建自己的套接字
- 从客户端套接字延伸出管道,连接到服务器的套接字
- 连接建立:
- 双方套接字连接后,通信准备完成
- 此时可以开始通过套接字收发数据
注: 服务器程序通常在启动后就创建套接字,持续等待客户端连接。
数据传输与连接断开
- 数据传输:
- 数据通过已连接的套接字进行收发
- 连接断开:
- 数据传输完成后,连接管道会被断开
- 断开可由客户端或服务器发起
- 一方断开后,另一方也会相应断开
- 管道断开后,套接字被删除
- 断开规则:
- 具体的断开顺序取决于应用程序的规则
- 例如,在HTTP 1.0中,客户端发送完数据后,服务器会断开连接
网络通信的主要阶段
- 创建套接字
- 将管道连接到服务器的套接字
- 收发数据
- 断开管道,删除套接字
在每个阶段,都会调用Socket库中的相应程序组件来完成操作。
操作系统协议栈的角色
- 以上所有操作实际上是由操作系统的协议栈执行的
- 浏览器等应用程序本身不具备这些功能,而是委托给操作系统的协议栈
- 这些委托操作通过调用Socket库中的程序组件来完成
- Socket库的组件扮演着应用程序和协议栈之间的桥梁角色
- 应用程序委托的内容最终会被完整地传送到协议栈
套接字(Socket)的创建与连接过程详解
套接字的创建阶段
- 客户端创建套接字:
- 通过调用Socket库中的
socket程序组件完成 - 调用后,控制流程转移到
socket内部执行创建操作 - 操作完成后,控制流程返回给应用程序
- 通过调用Socket库中的
- 描述符的获取与使用:
- 套接字创建后,协议栈返回一个描述符
- 应用程序将描述符存储在内存中
- 描述符用于识别不同的套接字
描述符的重要性
- 计算机可能同时进行多个数据通信操作
- 同一台计算机可以存在多个不同的套接字
- 描述符类似于酒店行李寄存的编号,用于区分和识别特定的套接字
套接字的连接阶段
连接过程通过调用Socket库中的connect程序完成,需要提供三个关键参数:
- 描述符:
- 用于指定要连接的客户端套接字
- 协议栈根据描述符判断使用哪个套接字进行连接
- 服务器IP地址:
- 通过DNS查询获得的目标服务器IP地址
- 在数据收发时,双方必须知道对方的IP地址
- 端口号:
- 用于在目标计算机上精确识别特定的套接字
- IP地址用于识别网络上的计算机,端口号用于识别该计算机上的特定套接字
连接过程
- 应用程序调用
connect并提供上述三个参数 - 这些参数通过Socket库传递给协议栈
- 协议栈执行实际的连接操作
重要概念
- 多套接字管理:
- 一台计算机可以同时维护多个套接字连接（如同时访问多个网站）
- 描述符系统使得这种多连接管理成为可能
- 参数传递机制:
- 应用程序指定的参数通过Socket库传递给协议栈
- 协议栈根据这些参数执行具体的网络操作
- IP地址与端口号的配合:
- IP地址用于在网络中定位特定计算机
- 端口号用于在该计算机上定位特定的套接字
- 两者结合,实现了网络通信中精确的端到端连接
网络通信中的IP地址、端口号与套接字
IP地址的分配
- IP地址分配给设备的网络硬件，而非设备本身
- 一台设备如有多个网络硬件，可能拥有多个IP地址
套接字识别机制
描述符
- 用于应用程序与操作系统内部识别套接字
- 仅在设备内部使用，不用于网络通信
端口号
- 用于网络通信中识别特定套接字
- 允许通信的另一方识别目标套接字
端口号的确定
服务器端
- 常用服务通常使用预定义的端口号（如HTTP使用80端口）
- 网址中通常不显示端口号，但内部使用默认端口
客户端
- 创建套接字时，系统随机分配端口号
- 连接操作时，协议栈将此端口号告知服务器
连接建立过程
- 调用
connect函数，提供：- 描述符
- 服务器IP地址
- 服务器端口号
- 协议栈执行连接操作：
- 使用客户端随机分配的端口号
- 将客户端端口号告知服务器
- 连接成功后：
- 套接字存储对方的IP地址和端口号
- 为后续数据交换做准备
套接字识别总结
- 描述符：应用程序用来识别套接字的内部机制
- IP地址和端口号：客户端和服务器之间相互识别对方套接字的机制
数据传输
- 数据送入套接字后自动发送到对方套接字
- 应用程序通过Socket库委托协议栈完成数据发送
- 使用
write程序组件执行实际的数据发送操作
HTTP通信过程详解
1. 发送请求
应用程序（例如浏览器）首先需要在内存中准备好要发送的数据。根据用户输入的网址，生成对应的HTTP请求消息，这就是即将发送的数据。接着，需要指定套接字描述符和待发送的数据，协议栈随后将数据传送到目标服务器。
由于套接字已保存了与通信对象相关的连接信息，因此只需通过描述符指定该套接字，就能识别出通信对象并向其发送数据。这样，数据便能够准确地传送到所需访问的服务器。
2. 服务器处理
接下来,服务器会执行以下操作:
- 接收客户端发送的数据
- 解析收到的数据内容
- 执行相关的操作(如查询数据库、处理业务逻辑等)
- 向客户端返回HTTP响应消息
3. 接收响应
当服务器返回响应消息时，客户端需要通过接收操作来获取消息。这个过程是通过Socket库中的read函数委托协议栈来完成的。在调用read时，需要指定一个用于存放响应消息的内存地址，这个地址通常被称为接收缓冲区。
当服务器的响应消息到达时，read函数会将接收到的消息存储到指定的接收缓冲区中。由于接收缓冲区是应用程序内存的一部分，因此当消息被存储到接收缓冲区时，实际上就已经交付给了应用程序，应用程序可以随时读取并处理这些数据。
4. 断开连接
当浏览器接收到数据后，数据接收过程就结束了。接下来，我们需要调用Socket库中的close函数来进入连接断开阶段。最终，连接在套接字上的通信管道将被断开，套接字本身也会被释放和删除。
在Web环境中，HTTP协议规定，当Web服务器发送完消息后，通常会主动执行断开操作。因此，Web服务器会先调用close来终止连接。当断开操作传达到客户端时，客户端的套接字也会进入断开阶段。
随后，当浏览器再次调用read函数以尝试接收数据时，read函数将通知浏览器，收发数据操作已经完成，连接已经断开。浏览器在得知这一信息后，也会调用close函数来完成断开阶段的操作。
需要注意的是，根据具体应用场景的不同，客户端或服务器都可能成为首先执行close操作的一方。
5. HTTP协议的特点
在HTTP协议中，HTTP文档和图片等资源都被视为独立的对象进行处理。每次获取数据时，都会经历一次连接、发送请求、接收响应、然后断开连接的过程。对于同一台服务器而言，这种反复的连接和断开操作效率很低。
为了解决这个问题，提高通信效率，HTTP/1.1引入了持久连接（Keep-Alive）特性。通过持久连接，可以在一次连接中发送和接收多个请求和响应，而不必在每次请求后都断开连接。这样，浏览器可以在同一连接中连续请求多个资源，减少了连接的开销。
当所有数据请求完成后，浏览器才会主动触发断开连接的操作，从而提高整体通信效率。
网络应用程序和协议栈的工作原理
1. 应用层：网络应用程序
网络应用程序包括浏览器、Web服务器、电子邮件客户端、电子邮件服务器等程序。它们会将收发数据的工作分发给下层来进行。尽管不同的应用程序收发数据的内容不同，但是收发数据的操作是互通的。这些应用程序在网络上收发数据的方式都是类似的。
2. 解析层：DNS解析
应用程序下面包括解析器。解析器主要用来向DNS（域名系统）服务器发出查询，将人类可读的域名转换为IP地址。
3. 传输层：协议栈上半部分
在操作系统内部，协议栈的上半部分分为两块：
- UDP（用户数据报协议）：处理UDP协议的收发数据，适用于DNS查询等短控制数据的传输。
- TCP（传输控制协议）：负责TCP收发数据的部分，用于浏览器、邮件等应用程序的数据传输。
这两个协议会执行应用程序收发数据的操作。
4. 网络层：IP协议
下面是使用IP（互联网协议）协议网络包来实现收发操作的部分。在互联网上传送数据时，数据会被切分成一个一个的网络包，而将网络包发送给通信对象的操作是由IP来负责的。
IP还包括两个重要的辅助协议：
- ICMP（互联网控制消息协议）：用于告知在网络传输过程中的各种错误和控制信息。
- ARP（地址解析协议）：用于根据IP地址查询相应的以太网MAC地址。
5. 数据链路层和物理层：网卡驱动和硬件
- 网卡驱动程序：负责控制网卡硬件。
- 网卡：负责完成实际的收发操作，也就是对网线信号执行接收和发送的操作。
6. 套接字和控制信息
在协议栈内部有一块存放控制信息的内存空间，这里记录了用于控制通信操作的控制信息，例如：
- 通信对象的IP地址
- 端口号
- 连接状态
- 数据缓冲区等
值得注意的是，套接字本身只是一个概念，并没有所谓的实体。如果要说它的实体，那就是这些控制信息或者存放控制信息的内存空间。套接字为应用程序提供了一个统一的接口，使得应用程序可以方便地进行网络通信，而不需要直接处理底层的协议细节。
通过这种分层的结构，网络应用程序能够高效地进行数据传输，同时保持了良好的灵活性和可扩展性。每一层都专注于自己的任务，使得整个网络通信过程变得有序和可控。
套接字的作用与协议栈的工作原理
1. 套接字的控制信息
协议栈在执行操作时需要借助套接字中存储的各种控制信息。这些信息对于通信过程至关重要,包括但不限于:
- IP地址和端口号:用于指向通信对象
- 响应状态:记录是否收到对方的响应
- 计时信息:记录发送数据后经过的时间
2. 协议栈的工作流程
- 发送数据:
- 查看套接字中的IP地址和端口号
- 向指定的通信对象发送数据
- 等待响应:
- 监控套接字中的响应状态
- 根据计时信息判断是否需要重发
- 重发机制:
- 如果在指定时间内未收到响应,则重新发送数据
3. 套接字作为"备忘录"
这些控制信息就像我们的备忘录,协议栈可以根据这些信息来决定下一步操作。例如:
- 判断是否需要重发数据
- 确定通信的当前状态
- 选择适当的通信策略
4. 套接字的创建和管理
- 在Windows系统中,可以使用
netstat命令来显示套接字的内容 - 创建套接字时,系统会自动添加控制信息,将其状态设置为"即将开始通信"
- 同时,系统会为套接字分配用于存放收发数据的内存空间
5. 套接字的重要性
套接字存储了用于通信操作的各种控制信息,协议栈需要根据这些信息来判断和执行下一步操作。这种机制确保了网络通信的可靠性和效率,是现代计算机网络中不可或缺的组成部分。
套接字创建与内存管理流程
1. 套接字创建过程
首先是创建套接字的过程。应用程序会调用 socket 函数进行申请，协议栈会根据应用程序的请求来创建套接字。
在这个过程中，协议栈会先申请一个用于存放套接字的内存空间。这个内存空间一开始并不存在，因此我们需要申请一块空间来存储控制信息，相当于一个容器。
但光有一个容器是不够的，我们需要对其进行信息写入。虽然套接字在最初并未进行收发数据的操作，但必须先记录其当前状态。至此，套接字的创建过程就完成了。
2. 内存管理
计算机内部通常会同时运行多个程序。如果多个程序占用同一个内存空间，可能导致数据损坏。为了避免这种问题，操作系统会有一个内存管理模块，类似于内存的管理员，负责根据程序的申请分配相应的内存空间，并确保这些空间不会被其他程序使用。因此，分配内存的操作就是向内存管理员提交申请，请求他划分出一块内存空间。
3. 描述符的分配与使用
创建套接字时，首先分配内存空间，然后写入相应的初始化状态。
接下来，需要将表示这个套接字的描述符告诉应用程序。描述符相当于区分多个套接字的号码牌。
收到描述符之后，应用程序在需要向协议栈进行收发数据的操作时，需要发送这个描述符。由于套接字记录了通信双方的信息和当前的通信状态，只要通过描述符获取到对应的套接字，协议栈就能获得相关信息。这样，应用程序就不需要再告诉协议栈要和谁通信了。
套接字的连接与通信原理详解
在网络编程中，套接字（Socket）是实现网络通信的重要工具。创建套接字之后，应用程序通常会调用connect方法，将本地套接字与服务器套接字建立连接。然而，以太网的网线一直是处于连接状态的，我们并不需要反复插拔网线。那么，这里的“连接”究竟是什么意思呢？连接实际上指的是通信双方相互交换信息，在套接字中记录必要的信息并准备数据收发的一系列操作。
连接的本质是什么？
虽然网络一直是连接着的，信号随时都会在网络中流动，如果通信仅仅是把数据转化为电信号，这个过程是随时可以进行的。但当一个套接字刚刚创建完成时，应用程序在委托协议栈发送数据时，协议栈该如何操作呢？
实际上，当套接字刚刚创建完成时，它里面没有任何数据，也不知道通信的对象是谁。当应用程序需要发送数据时，它还不清楚数据要发送给谁。例如，浏览器可以根据网址获取到服务器的IP地址，但是这仅仅是浏览器知道这些信息，而不是协议栈知道这些信息。在调用socket创建套接字时，这些信息并没有被传递给协议栈。因此，我们需要将服务器的IP地址和端口号等信息告知协议栈，这是“连接”的目的之一。
服务器套接字的创建和通信
服务器同样需要创建一个套接字，但是在服务器上的协议栈和客户端协议栈一样，在仅仅创建套接字的情况下，服务器也不知道要和谁通信。而且与客户端不同，服务器程序在启动时并不知道它要和谁通信。如果双方都处于这种不确定状态，将永远无法进行通信。
因此，客户端必须向服务器传递信息，告知其IP地址和端口号，客户端向服务器发送一个开始通信的请求，这也是“连接”操作的另一层目的。
服务器程序通常在系统启动时创建套接字，并处于等待客户端连接的状态。一旦有客户端请求连接，服务器便会响应并完成整个连接过程，从而实现有效通信。
结论
连接并不仅仅是物理层面的接入操作，而是网络通信中的一个逻辑过程。它包括信息交换、协议栈的配置以及数据传输准备等一系列动作。在此过程中，客户端和服务器各自的套接字起到了关键作用，它们通过各自的协议栈进行信息的传递和处理，最终完成数据的顺畅交换和通信。
网络通信中的连接过程与控制信息
1. 连接的本质
连接实际上是通信双方相互交换信息，在套接字中记录必要的信息并准备数据收发的一系列操作。将客户端的IP地址和端口号告知服务器也属于交换控制信息。
2. 控制信息的定义与作用
所谓控制信息，就是控制数据收发操作所需要的信息，例如IP地址和端口号。连接操作中交换的数据都是根据通信规则来的，只要根据规定执行连接操作，就可以得到所需的通信信息从而完成数据的收发。
3. 缓冲区的作用
我们还需要一块可以存放交换信息的内存空间，称为缓冲区，这也是在连接进行的时候进行创建的。
4. 控制信息的分类
控制信息可以大致分成两类：
4.1 通信全程所需的控制信息
第一类是客户端和服务器相互联络时交换的通信信息。这些信息不仅是连接操作需要，而且数据收发和结束连接等操作都需要。在整个通信过程中这些信息都是必要的。
4.2 TCP协议中的固定字段
这些内容在TCP协议中都规定了，这些字段是固定的。客户端和服务器每次进行连接、收发、结束等，每次进行通信的过程中都需要这些信息。
5. 控制信息在网络包中的位置
这些信息会被存储在通信过程中的网络包的开头。在连接阶段，网络包中并没有实际的信息，只有控制信息，这些信息位于网络包的头部，也被称为头部。
6. 不同协议层的头部
此外以太网和IP协议也有自己的控制信息，也被称为头部。为了避免这些头部的混乱，又称为TCP头部、以太网头部、IP头部等。
网络通信中的控制信息：头部与套接字
1. 控制信息的两大类别
在网络通信过程中，控制信息扮演着至关重要的角色，它们可以分为两大类：
- 头部中记录的信息
- 套接字（协议栈中的内存空间）中记录的信息
1.1 头部信息
客户端和服务器会在数据包的头部记录必要的信息并相互确认。理解头部各部分的含义，就能深入理解通信的过程。头部主要用来记录和交换控制信息，如源IP地址、目标IP地址、协议类型、序列号等。
1.2 套接字信息
另一类控制信息保存在套接字中，用来控制协议栈的操作。这些信息包括：
- 应用程序传递的信息
- 从通信对象接收到的信息
- 收发操作的执行状态
协议栈会根据这些信息来执行后续操作。套接字的控制信息和协议栈的程序实际上是一体的。
2. 协议栈实现的多样性
协议栈具体需要哪些信息，取决于协议栈本身的实现方式。这导致了不同系统间的差异：
- Windows和Linux系统的内部结构不同，协议栈的实现方式也不同，因此所需的控制信息也有所差异。
- 计算机和手机等不同设备也可以相互通信，尽管它们的协议栈实现可能大不相同。
重要的是，尽管实现细节不同，但只要通信时按照规则将必要的信息写入头部，客户端和服务器之间的通信就能成功建立。
3. 通用的套接字控制信息
虽然我们不能具体说明每种协议栈保存了哪些控制信息，但是有一些重要的套接字控制信息是通用的，无论在哪种操作系统中都存在。这些信息包括但不限于：
- IP地址
- 端口号
- 连接状态
- 缓冲区大小
- 超时设置
理解这些通用信息有助于我们把握协议栈的工作方式。
4. 信息的存储位置
值得注意的是，这些控制信息保存在协议栈的套接字内存空间里面。虽然不同操作系统和设备的协议栈实现可能有很大差异，但像IP地址和端口号这样的核心信息在概念上是相通的。