What-happens-when 的中文翻译

jopen 10年前

当···时发生了什么？

这个仓库试图回答一个古老的面试问题：当你在浏览器中输入google.com并且按下回车之后发生了什么？

不过我们不再局限于平常的回答，而是想办法回答地尽可能具体，不遗漏任何细节。

这将是一个协作的过程，所以深入挖掘吧，并且帮助我们一起完善它。仍然有大量的细节等待着你来添加，欢迎向我们发送Pull Requset！

这些内容使用 Creative Commons Zero 协议发布。

目录

  • 回车键按下
  • 产生中断[非USB键盘]
  • (Windows)一个WM_KEYDOWN消息被发往应用程序
  • (Mac OS X)一个KeyDownNSEvent被发往应用程序
  • (GNU/Linux)Xorg 服务器监听键码值
  • 解析URL
  • 输入的是URL还是搜索的关键字？
  • 检查HSTS列表···
  • 转换非ASCII的Unicode字符
  • DNS查询···
  • ARP
  • 使用套接字
    • UDP 数据包
  • TLS 握手
    • TCP 数据包
  • HTTP 协议···
  • HTTP服务器请求处理
  • HTML 解析
  • CSS 解析
  • 页面渲染
  • GPU 渲染
  • Window Server
  • 后期渲染与用户引发的处理

回车键按下

为了从头开始，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或者通过电容器闭合了，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

产生中断[非USB键盘]

键盘在它的中断请求线(IRQ)上发送信号，信号会被中断控制器映射到一个中断向量，实际上就是一个整型数 。CPU使用中断描述符表(IDT)把中断向量映射到对应函数，这些函数被称为中断处理器，它们由操作系统内核提供。当一个中断到达时，CPU根据IDT 和中断向量索引到对应的中端处理器，然后操作系统内核出场了。

(Windows)一个WM_KEYDOWN消息被发往应用程序

HID把键盘按下的事件传送给KBDHID.sys驱动，把HID的信号转换成一个扫描码(Scancode)，这里回车的扫描码是VK_RETURN(0x0d)。KBDHID.sys驱动和KBDCLASS.sys(键盘类驱动,keyboard class driver)进行交互，这个驱动负责安全地处理所有键盘和小键盘的输入事件。之后它又去调用Win32K.sys，在这之前有可能把消息传递给安装的第三方键盘过滤器。这些都是发生在内核模式。

Win32K.sys通过GetForegroundWindow()API函数找到当前哪个窗口是活跃的。这个API函数提供了当前浏览器的地址栏的句柄。Windows系统的"message pump"机制调用SendMessage(hWnd, WM_KEYDOWN, VK_RETURN, lParam)函数，lParam是一个用来指示这个按键的更多信息的掩码，这些信息包括按键重复次数（这里是0），实际扫描码（可能依赖于OEM厂商，不过通常不会是VK_RETURN），功能键（alt, shift, ctrl）是否被按下（在这里没有），以及一些其他状态。

Windows的SendMessageAPI直接将消息添加到特定窗口句柄hWnd的消息队列中，之后赋给hWnd的主要消息处理函数WindowProc将会被调用，用于处理队列中的消息。

当前活跃的句柄hWnd实际上是一个edit control控件，这种情况下，WindowProc有一个用于处理WM_KEYDOWN消息的处理器，这段代码会查看SendMessage传入的第三个参数wParam，因为这个参数是VK_RETURN，于是它知道用户按下了回车键。

(Mac OS X)一个KeyDownNSEvent被发往应用程序

中断信号引发了I/O Kit Kext键盘驱动的中断处理事件，驱动把信号翻译成键码值，然后传给OS X的WindowServer进程。然后，WindowServer将这个事件通过Mach端口分发给合适的（活跃的，或者正在监听的）应用程序，这个信号会被放到应用程序的消息队列里。队列中的消息可以被拥有足够高权限的线程使用mach_ipc_dispatch函数读取到。这个过程通常是由NSApplication主事件循环产生并且处理的，通过NSEventType为KeyDown的NSEvent。

(GNU/Linux)Xorg 服务器监听键码值

当使用图形化的 X Server 时，X Server会按照特定的规则把键码值再一次映射，映射成扫描码。当这个映射过程完成之后， X Server 把这个按键字符发送给窗口管理器(DWM，metacity, i3等等)，窗口管理器再把字符发送给当前窗口。当前窗口使用有关图形API把文字打印在输入框内。

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)

    </blockquote> </li> </ul>

    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。

    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，却可能会使用户收到 downgrade attack 的威胁，这也是为什么现代浏览器都预置了HSTS列表。

    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

    DNS查询···

    • 浏览器检查域名是否在缓存当中
    • 如果缓存中没有，就去调用gethostbynme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，系统将会查询ARP缓存，以得到DNS服务器的ARP入口。缓存没有命中的话就要进行ARP广播（见下面），缓存命中的话，我们就得到了DNS.server.ip.address = dns:mac:address
    • 如果DNS服务器和我们的主机在不同的子网，与上面类似，不过我们的目标变成了默认网关，得到的信息是default.gateway.ip.address = gateway:mac:address

    ARP

    要想发送ARP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ARP请求：

    ARP Request: 

    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: 

    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，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
    • 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TCP 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，可是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 网络节点 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 网络节点 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

    • 服务器端接受到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
      </li>
    • 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
        • </ul> </li>
      • 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
          • </ul> </li>
        • 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
            • </ul> </li> </ul>

            UDP 数据包

            TLS 握手

            • 客户端发送一个Client hello消息到服务器端，消息中同时包含了它的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Server hello消息，消息中包含了服务器端的TLS版本，服务器选择了哪个加密和压缩算法，以及服务器的公开证书，证书中包含了公钥。
            • 客户端验证服务器端的证书是否有效，使用非对称加密算法加密一个对称密钥，客户端将这个加密后的秘钥发送给服务器端，同时附带了服务器的公钥和一个加密信息用于验证身份。
            • 服务器端使用自己的私钥解密上面提到的对称秘钥，然后向客户端返回一个使用自己私钥加密的验证消息
            • 客户端确认服务器端身份，生成一个会话秘钥，将这个秘钥连同一个finished消息给服务器端
            • 服务器端也向客户端发送一个使用协商好的会话秘钥加密的finished消息
            • 从现在开始，接下来整个会话都使用会话秘钥进行加密

            TCP 数据包

            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，它会向服务器发送这样的一个请求: 

            GET / HTTP/1.1  Host: google.com  [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。

            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  [response headers]

            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，以供以后的请求重用。

            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  [response headers]

            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/相应。最常见的HTTPD有Linux上常用的Apache与windows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 和 DELETE )。在访问Google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)
            • 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index这个文件。(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，比如假设Google使用PHP
            • 服务器会使用PHP解析index文件,并捕获输出
            • 服务器会返回PHP的输出结果给请求者

            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:

            • 语言本身的“宽容”特性
            • HTML本身可能是残缺的，对于常见的残缺，浏览器需要有传统的容错机制来支持它们
            • 解析过程需要反复。对于其他语言来说，源码不会在解析过程中发生变化，但是对于HTML来说，动态代码，例如脚本元素中包含的 document.write() 方法会在源码中添加内容，也就是说，解析过程实际上会改变输入的内容

            由于不能使用常用的解析技术，浏览器创造了专门用于解析HTML的解析器。解析算法在 HTML5 标准规范中有详细介绍，算法主要包含了两个阶段：标记化（tokenization）和树的构建。

            解析结束之后

            当浏览器把文档标记为“可交互的”，浏览器开始解析处于“推迟”模式的脚本，也就是那些需要在文档解析完毕之后再执行的脚本。之后文档的状态会变为“完成”，浏览器会进行“加载”事件。

            你可以在 HTML5 标准规范中看到标记化和构建树的详细算法。

            浏览器容错

            在解析HTML网页是永远不会出现“语法错误”，浏览器会修复所以错误，然后继续解析。

            加载/预加载网页的外部资源（CSS，图像，Javascript 文件等）

            执行同步 Javascript 代码。

            CSS 解析

            • 根据 CSS词法和句法 分析CSS文件和<style>标签
            • 每个CSS文件都被解析成一个样式表对象，这个对象里包含了带有选择器的CSS规则，和对应CSS语法的对象
            • CSS解析器可能是自顶向下的，也可能是使用解析器生成器生成的自底向上的解析器

            页面渲染

            • 通过遍历DOM节点树创建一个“Frame 树”或“渲染树”，并计算每个节点的各个CSS样式值
            • 通过累加子节点的宽度，该节点的水平内边距(padding)、边框(border)和外边距(margin)，自底向上的计算"Frame 树"中每个节点首的选(preferred)宽度
            • 通过自顶向下的给每个节点的子节点分配可行宽度，计算每个节点的实际宽度
            • 通过应用文字折行、累加子节点的高度和此节点的内边距(padding)、边框(border)和外边距(margin)，自底向上的计算每个节点的高度
            • 使用上面的计算结果构建每个节点的坐标
            • 当存在元素使用floated，位置有absolutely或relatively属性的时候，会有更多复杂的计算，详见http://dev.w3.org/csswg/css2/ 和 http://www.w3.org/Style/CSS/current-work
            • 创建layer(层)来表示页面中的哪些部分可以成组的被绘制，而不用被重新栅格化处理。每个帧对象都被分配给一个层
            • 页面上的每个层都被分配了纹理(?)
            • 每个层的帧对象都会被遍历，计算机执行绘图命令绘制各个层，此过程可能由CPU执行栅格化处理，或者直接通过D2D/SkiaGL在GPU上绘制
            • 上面所有步骤都可能利用到最近一次页面渲染时计算出来的各个值，这样可以减少不少计算量
            • 计算出各个层的最终位置，一组命令由 Direct3D/OpenGL发出，GPU命令缓冲区清空，命令传至GPU并异步渲染，帧被送到Window Server。

            GPU 渲染

            • 在渲染过程中，图形处理层可能使用通用用途的CPU，也可能使用图形处理器GPU
            • 当使用GPU用于图形渲染时，图形驱动软件会把任务分成多个部分，这样可以充分利用GPU强大的并行计算能力，用于在渲染过程中进行大量的浮点计算。

            Window Server

            后期渲染与用户引发的处理

            渲染结束后，浏览器根据某些时间机制运行JavaScript代码(比如Google Doodle动画)或与用户交互(在搜索栏输入关键字获得搜索建议)。类似Flash和Java的插件也会运行，尽管Google主页里没有。这些脚本可以触发网络请求，也可能改变网页的内容和布局，产生又一轮渲染与绘制。

            项目主页：http://www.open-open.com/lib/view/home/1423925714467