从输入 URL 到页面展示到底发生了什么？

首先打开 Google Chrome ，然后在 URL 地址栏中输入了 maps.google.com

然后 ……

查找DNS

DNS(Domain Name System) 是一个分布式的数据库，它用于维护网址 URL 到其 IP 地址的映射关系。在互联网中，IP 地址是计算机所能够理解的一种地址，而 DNS 的这种别名地址是我们人类能够理解和记忆的地址，DNS 就负责把人类记忆的地址映射成计算机能够理解的地址，每个 URL 都有唯一的 IP 地址进行对应。

举个例子，google 的官网是 www.google.com ，而 google 的 ip 地址是 216.58.200.228 ，这两个地址你在 URL 上输入哪个都能访问，但是 IP 地址不好记忆，而 google.com 简单明了。

浏览器在这个阶段会检查四个地方是否存在缓存。

1. 浏览器缓存，这个缓存就是 DNS 记录。

浏览器会为你访问过的网站在固定期限内维护 DNS 记录。因此，它是第一个运行 DNS 查询的地方。 浏览器首先会检查这个网址在浏览器中是否有一条对应的 DNS 记录，用来找到目标网址的 IP 地址。

Windows 中可以使用 chrome://net-internals/#dns 找到对应的 IP 地址
Mac 中可以使用 nslookup 命令来查找

2. 操作系统缓存。

如果 DNS 记录不在浏览器缓存中，那么浏览器将对操作系统发起系统调用，Windows 下就是 getHostName。

在 Linux 和大部分 UNIX 系统上，除非安装了 nscd，否则操作系统可能没有 DNS 缓存。nscd 是 Linux 系统上的一种名称服务缓存程序。

3. 路由器缓存

如果 DNS 记录不在自己电脑上的话，浏览器就会和与之相连的路由器共同维护 DNS 记录。

4. ISP 缓存

如果与之相连的路由器也没有 DNS 记录的话，浏览器就会检查 ISP 中是否有缓存。ISP 缓存就是你本地通信服务商的缓存，因为 ISP 维护着自己的 DNS 服务器，它缓存 DNS 记录的本质也是为了降低请求时间，达到快速响应的效果。一旦你访问过某些网站，你的 ISP 可能就会缓存这些页面，以便下次快速访问。

所以，上面涉及到 DNS 缓存的查询过程如下。

如果上面四个步骤中都不存在 DNS 记录，那么就表示不存在 DNS 缓存，这个时候就需要发起 DNS 查询，以查找目标网址（本示例中是 maps.google.com）的 IP 地址。

发起 DNS 查询

如上所述，如果想要使我的计算机和 maps.google.com 建立连接并进行通信的话，我需要知道 maps.google.com 的 IP 地址，由于 DNS 的设计原因，本地 DNS 可能无法给我提供正确的 IP 地址，那么它就需要在互联网上搜索多个 DNS 服务器，来找到网站的正确 IP 地址。

这里有个疑问，为什么我需要搜索多个 DNS 服务器的来找到网站的 IP 地址呢？一台服务器不行吗？

因为 DNS 是分布式域名服务器，每台服务器只维护一部分 IP 地址到网络地址的映射，没有任何一台服务器能够维持全部的映射关系。

在 DNS 的早期设计中只有一台 DNS 服务器。这台服务器会包含所有的 DNS 映射。这是一种集中式的设计，这种设计并不适用于当今的互联网，因为互联网有着数量巨大并且持续增长的主机，这种集中式的设计会存在以下几个问题

• 单点故障(a single point of failure)，如果 DNS 服务器崩溃，那么整个网络随之瘫痪。
• 通信容量(traaffic volume)，单个 DNS 服务器不得不处理所有的 DNS 查询，这种查询级别可能是上百万上千万级，一台服务器很难满足。
• 远距离集中式数据库(distant centralized database)，单个 DNS 服务器不可能 邻近 所有的用户，假设在美国的 DNS 服务器不可能临近让澳大利亚的查询使用，其中查询请求势必会经过低速和拥堵的链路，造成严重的时延。
• 维护(maintenance)，维护成本巨大，而且还需要频繁更新。

所以在当今网络情况下 DNS 不可能集中式设计，因为它完全没有可扩展能力，所以采用分布式设计，这种设计的特点如下

分布式、层次数据库

首先分布式设计首先解决的问题就是 DNS 服务器的扩展性问题，因此 DNS 使用了大量的 DNS 服务器，它们的组织模式一般是层次方式，并且分布在全世界范围内。没有一台 DNS 服务器能够拥有因特网上所有主机的映射。相反，这些映射分布在所有的 DNS 服务器上。

大致来说有三种 DNS 服务器：

• 根 DNS 服务器、
• 顶级域(Top-Level Domain, TLD) DNS 服务器
• 权威 DNS 服务器 。

这些服务器的层次模型如下图所示

• 根 DNS 服务器 ，有 400 多个根域名服务器遍及全世界，这些根域名服务器由 13 个不同的组织管理。根域名服务器的清单和组织机构可以在 https://root-servers.org/ 中找到，根域名服务器提供 TLD 服务器的 IP 地址。
• 顶级域 DNS 服务器，对于每个顶级域名比如 com、org、net、edu 和 gov 和所有的国家级域名 uk、fr、ca 和 jp 都有 TLD 服务器或服务器集群。所有的顶级域列表参见 https://tld-list.com/ 。TDL 服务器提供了权威 DNS 服务器的 IP 地址。
• 权威 DNS 服务器，在因特网上具有公共可访问的主机，如 Web 服务器和邮件服务器，这些主机的组织机构必须提供可供访问的 DNS 记录，这些记录将这些主机的名字映射为 IP 地址。一个组织机构的权威 DNS 服务器收藏了这些 DNS 记录。

在了解了 DNS 服务器的设计理念之后，我们回到 DNS 查找的步骤上来，DNS 的查询方式主要分为三种

通过组合使用这些查询，优化的 DNS 解析过程可缩短传输距离。在理想情况下，可以使用缓存的记录数据，从而使 DNS 域名服务器能够直接使用非递归查询。

1. 递归查询：一般发生在 Client 请求 DNS Server。Client 发出一个域名解析的请求，DNS Server 必须返回对应的 IP 地址，或者返回找不到的错误。
2. 迭代查询：一般发生在 DNS Server 之间，当 Client 发出域名解析的请求后，DNS Server 需要给予最佳答案，这个最佳答案可能是”距离最近”的顶级域名服务器，也能是权威域名服务器。无论如何，Client 需要对返回结果再次发起请求，知道获得最终结果。
3. 非递归查询：一般发生在 Client 和 DNS Server 之间，指的是，请求的 DNS Server 已经知道答案，直接返回。这里可能有两种情况，一种是 DNS Server 本机缓存了对应的 IP，或者是缓存了对应的域名的权威服务器。第二种情况只需要再发一次请求，即可拿到结果返回。

详情可参考：https://juejin.cn/post/6844903900982558734#heading-9

上面负责开始 DNS 查找的介质就是 DNS 解析器，它一般是 ISP 维护的 DNS 服务器，它的主要职责就是通过向网络中其他 DNS 服务器询问正确的 IP 地址。

所以对于 maps.google.com 这个域名来说，如果 ISP 维护的服务器没有 DNS 缓存记录，它就会向 DNS 根服务器地址发起查询，根名称服务器会将其重定向到 .com 顶级域名服务器。 .com 顶级域名服务器会将其重定向到google.com 权威服务器。google.com 名称服务器将在其 DNS 记录中找到 maps.google.com 匹配的 IP 地址，并将其返回给您的 DNS 解析器，然后将其发送回你的浏览器。

ARP 请求

ARP 协议的全称是 Address Resolution Protocol(地址解析协议)，它是一个通过用于实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标 IP 对应的 MAC 地址 的一种协议。

ARP 就是一种解决地址问题的协议，它以 IP 地址为线索，定位下一个应该接收数据分包的主机 MAC 地址。如果目标主机不在同一个链路上，那么会查找下一跳路由器的 MAC 地址。

关于为什么有了 IP 地址，还要有 MAC 地址概述可以参看知乎这个回答 https://www.zhihu.com/question/21546408

• 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 的大致工作流程如下

假设 A 和 B 位于同一链路，不需要经过路由器的转换，主机 A 向主机 B 发送一个 IP 分组，主机 A 的地址是 192.168.1.2 ，主机 B 的地址是 192.168.1.3，它们都不知道对方的 MAC 地址是啥，主机 C 和 主机 D 是同一链路的其他主机。

主机 A 想要获取主机 B 的 MAC 地址，通过主机 A 会通过广播 的方式向以太网上的所有主机发送一个 ARP 请求包，这个 ARP 请求包中包含了主机 A 想要知道的主机 B 的 IP 地址的 MAC 地址。

主机 A 发送的 ARP 请求包会被同一链路上的所有主机/路由器接收并进行解析。每个主机/路由器都会检查 ARP 请求包中的信息，如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址 和自己的相同，就会将自己主机的 MAC 地址写入响应包返回主机 A

由此，可以通过 ARP 从 IP 地址获取 MAC 地址，实现同一链路内的通信。

ARP 维护每个主机和路由器上的 ARP 缓存(或表)。这个缓存维护着每个 IP 到 MAC 地址的映射关系。通过把第一次 ARP 获取到的 MAC 地址作为 IP 对 MAC 的映射关系到一个 ARP 缓存表中，下一次再向这个地址发送数据报时就不再需要重新发送 ARP 请求了，而是直接使用这个缓存表中的 MAC 地址进行数据报的发送。每发送一次 ARP 请求，缓存表中对应的映射关系都会被清除。

通过 ARP 缓存，降低了网络流量的使用，在一定程度上防止了 ARP 的大量广播。

一般来说，发送过一次 ARP 请求后，再次发送相同请求的几率比较大，因此使用 ARP 缓存能够减少 ARP 包的发送，除此之外，不仅仅 ARP 请求的发送方能够缓存 ARP 接收方的 MAC 地址，接收方也能够缓存 ARP 请求方的 IP 和 MAC 地址，如下所示

不过，MAC 地址的缓存有一定期限，超过这个期限后，缓存的内容会被清除。

所以，浏览器会首先查询 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：

1. 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。
2. 查询选择的网络接口的 MAC 地址
3. 我们发送一个数据链路层的 ARP 请求：

封装 TCP 数据包

浏览器得到目标服务器的 IP 地址后，根据 URL 中的端口可以知道端口号 （http 协议默认端口号是 80， https 默认端口号是 443），会准备 TCP 数据包。数据包的封装会经过下面的层层处理，数据到达目标主机后，目标主机会解析数据包，完整的请求和解析过程如下。

在经过上述 DNS 和 ARP 查找流程后，浏览器就会收到一个目标服务器的 IP 和 MAC地址，然后浏览器将会和目标服务器建立连接来传输信息。这里可以使用很多种 Internet 协议，但是 HTTP 协议建立连接所使用的运输层协议是 TCP 协议。所以这一步骤是浏览器与目标服务器建立 TCP 连接的过程。

TCP 的连接建立需要经过 TCP/IP 的三次握手，三次握手的过程其实就是浏览器和服务器交换 SYN 同步和 ACK 确认消息的过程。

假设图中左端是客户端主机，右端是服务端主机，一开始，两端都处于CLOSED（关闭）状态。

浏览器发送 HTTP 请求到 web 服务器

一旦 TCP 连接建立完成后，就开始直接传输数据办正事了！此时浏览器会发送 GET 请求，要求目标服务器提供 maps.google.com 的网页，如果你填写的是表单，则发起的是 POST 请求，在 HTTP 中，GET 请求和 POST 请求是最常见的两种请求，基本上占据了所有 HTTP 请求的九成以上。

除了请求类型外，HTTP 请求还包含很多很多信息，最常见的有 Host、Connection 、User-agent、Accept-language 等

服务器处理请求并发回一个响应

这个服务器包含一个 Web 服务器，也就是 Apache 服务器，服务器会从浏览器接收请求并将其传递给请求处理程序并生成响应。

服务器发送回一个 HTTP 响应

服务器响应包含你请求的网页以及状态代码，压缩类型（Content-Encoding），如何缓存页面（Cache-Control），要设置的 cookie，隐私信息等。

浏览器显示 HTML 的相关内容

浏览器会分阶段显示 HTML 内容。 首先，它将渲染裸露的 HTML 骨架。 然后它将检查 HTML 标记并发送 GET 请求以获取网页上的其他元素，例如图像，CSS 样式表，JavaScript 文件等。这些静态文件由浏览器缓存，因此你再次访问该页面时，不用重新再请求一次。最后，您会看到 maps.google.com 显示的内容出现在你的浏览器中。