图解计算机网络：一条 HTTP 请求的网络拓扑之旅

引言

常见的网络拓扑结构如下图所示：

在此拓扑中，终端设备通过 WiFi 连接到路由器，路由器再连接到光猫（或终端设备通过移动网络 4G/5G 连接到基站），之后 ISP 网络服务提供商接管网络通信，将请求最终转发至应用服务器。

从用户设备发出的 HTTP 请求是如何穿越网络的？我们将深入探讨这一过程。

HTTP 请求的网络旅途

OSI 网络体系结构

先从计算机网络的基础架构开始：

上图展示了五层简化版 OSI 网络模型。每层都对网络通信至关重要，特别是在 HTTP 请求的传递过程中。关键点包括：

传输层：TCP 头部包含的源端口和目标端口。
网络层：IP 头部包含的源 IP 地址和目标 IP 地址。
数据链路层：MAC 头部包含的源 MAC 地址和目标 MAC 地址。

接下来我们来看看，在网络设备的转发过程中，这些信息如何发生变化。

HTTP 网络之旅

下图展示了完整的网络路径：

一、用户终端设备 --> 路由器

HTTP 请求基于 TCP 连接。用户通常会请求一个域名地址，首先必须通过 DNS 解析获取服务器的 IP 地址。DNS 的查询过程如下：
- 浏览器 DNS 缓存（如果访问的是 web 网页）。
- 本地操作系统 DNS 缓存。
- 本地 /etc/hosts 文件是否有配置域名到 IP 的直接映射。
- DNS 查询：
  - 向域名服务器（地址配置在 /etc/resolv.conf 文件）发起查询：
    - 域名服务器地址可以是：ISP 域名服务器或公共 DNS 服务器（如 Google 8.8.8.8 或 Cloudflare 1.1.1.1）。
    - 通常，终端设备通过路由器连接网络，这时 /etc/resolv.conf 的 nameserver 指向的就是路由器的 WAN IP（如 192.168.3.1），路由器将继续转发 DNS 查询。
  - 递归查询：根域名服务器 -> 顶级域名服务器 -> 权威域名服务器（存储真实的 DNS 记录）。
DNS 解析完毕后，数据开始从应用层向下传递并封装：
- 传输层：封装 TCP 头，包含源端口（一般随机生成）和目标端口（HTTP 默认 80）。
- 网络层：封装 IP 头，包含源 IP（用户设备的内网 IP）和目标 IP（远程服务器公网 IP）地址。
用户设备通过 ARP 协议查找目标 MAC 地址（此时得到路由器的 MAC 地址）。在数据链路层则封装了 MAC 头部，其中包含了源 MAC（用户设备 MAC）地址和目标 MAC（路由器 MAC）地址。
最后，数据在物理层通过无线电波（WiFi）传递二进制数据到路由器（如果是双绞线则是电信号，光纤则是光信号）。路由器接收到数据后，进入下一阶段处理。

二、路由器 --> 光猫

路由器在物理层接收到二进制数据后，将数据解析成上一层的数据链路层格式，随后改写源 MAC 和目标 MAC 地址，将数据发送到下一跳设备（光猫）。

由于路由器没有公网 IP 地址，此时不会进行 NAT（网络地址转换），IP 头部中的源 IP 仍为用户设备的内网 IP。

三、光猫 --> ISP NAT 设备

光猫负责将数据通过一系列中间网络设备，最终传递到 ISP 的 NAT 设备。

四、ISP NAT 设备 --> 服务器

由于公网 IPv4 地址的数量有限，ISP 通常会为同一区域的多个用户共享一个公网 IP。

此时，ISP 的 NAT 设备会将源 IP 地址转换为共享的公网 IP 地址。至此，数据才进入公网传输，并最终达到应用服务器。

服务器在接受到数据后，从下层往上依次解析数据，最终还原出来应用层的 HTTP 请求。

总结

本文介绍了 HTTP 请求从用户终端设备到应用服务器的全过程，并通过图示说明了请求如何在 OSI 模型的不同层次间传递和转化。