当你在浏览器输入google.com之后

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按下”g”键

当你按下“g”键，浏览器接收到这个消息之后，会触发自动完成机制。浏览器根据自己的算法，以及你是否处于隐私浏览模式，会在浏览器的地址框下方给出输入建议。大部分算法会优先考虑根据你的搜索历史和书签等内容给出建议。你打算输入 “google.com”，因此给出的建议并不匹配。但是输入过程中仍然有大量的代码在后台运行，你的每一次按键都会使得给出的建议更加准确。甚至有可能在你输入之前，浏览器就将 “google.com” 建议给你。
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回车键按下

为了从零开始，我们选择键盘上的回车键被按到最低处作为起点。在这个时刻，一个专用于回车键的电流回路被直接地或者通过电容器间接地闭合了，使得少量的电流进入了键盘的逻辑电路系统。这个系统会扫描每个键的状态，对于按键开关的电位弹跳变化进行噪音消除(debounce)，并将其转化为键盘码值。在这里，回车的码值是13。键盘控制器在得到码值之后，将其编码，用于之后的传输。现在这个传输过程几乎都是通过通用串行总线(USB)或者蓝牙(Bluetooth)来进行的，以前是通过PS/2或者ADB连接进行。

USB键盘：

键盘的USB元件通过计算机上的USB接口与USB控制器相连接，USB接口中的第一号针为它提供了5V的电压
键码值存储在键盘内部电路一个叫做”endpoint”的寄存器内
USB控制器大概每隔10ms便查询一次”endpoint”以得到存储的键码值数据，这个最短时间间隔由键盘提供
键值码值通过USB串行接口引擎被转换成一个或者多个遵循低层USB协议的USB数据包
这些数据包通过D+针或者D-针(中间的两个针)，以最高1.5Mb/s的速度从键盘传输至计算机。速度限制是因为人机交互设备总是被声明成”低速设备”（USB 2.0 compliance）
这个串行信号在计算机的USB控制器处被解码，然后被人机交互设备通用键盘驱动进行进一步解释。之后按键的码值被传输到操作系统的硬件抽象层

虚拟键盘（触屏设备）：

在现代电容屏上，当用户把手指放在屏幕上时，一小部分电流从传导层的静电域经过手指传导，形成了一个回路，使得屏幕上触控的那一点电压下降，屏幕控制器产生一个中断，报告这次“点击”的坐标
然后移动操作系统通知当前活跃的应用，有一个点击事件发生在它的某个GUI部件上了，现在这个部件是虚拟键盘的按钮
虚拟键盘引发一个软中断，返回给OS一个“按键按下”消息
这个消息又返回来向当前活跃的应用通知一个“按键按下”事件

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 Punycode 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 downgrade attack 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）。如图
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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 不同的操作系统有所不同
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。

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  • 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（ OSI 模型 中的数据链路层）ARP 请求：
    ARP Request:
    1
    2
    3
    4
    Sender MAC: interface:mac:address:here
    Sender IP: interface.ip.goes.here
    Target 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:

1
2
3
4
Sender MAC: target:mac:address:here
Sender IP: target.ip.goes.here
Target MAC: interface:mac:address:here
Target 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172.21.0.21，如下图，我们可以继续 DNS 请求了：
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  • 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：

  • 以太网
  • WiFi
  • 蜂窝数据网络

TCP三次握手

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:

1
2
3
4
GET / HTTP/1.1
Host: google.com
Connection: close
[其他头部]

如下图

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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。

参考

https://github.com/skyline75489/what-happens-when-zh_CN

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