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从输入 URL 开始

前言​

好久没写博客了，我原先的标题是 “从输入url到页面加载完成的XXX”？

但想着，这是别人嚼烂很多次的内容，缺乏挑战性，而且，页面操作过程中能优化的地方实在太多了。

那就干脆给自己挖个坑吧，好歹也在运维开发部待过一年的时间。

本文将尝试从前后端或运维多个角度，来述说整个站点从解析到操作过程中的优化。

1. 流程回顾​

1. URL的输入到浏览器解析的一系列事件​

很多大公司面试喜欢问这样一道面试题，输入URL到看见页面发生了什么？,今天我们来总结一下。 简单来说，共有以下几个过程

  1. 浏览器中输入网址
  2. 域名解析（DNS），找到IP服务器
  3. 发起TCP连接，HTTP三次握手,发送请求（Request）
  4. 服务器响应HTTP(Response)
  5. 浏览器下载资源 html css js images等
  6. 浏览器解析代码（如果服务器有gzip压缩，浏览器先解压）
  7. 浏览器渲染呈现给用户

2. 结合操作页面到关闭标签页​

我们在页面渲染完成之后执行某些操作：

  • 按钮重复点击
  • 滚动操作
  • 条件查询检索

姑且将以上都归为 ==> 8. 界面操作

还在步骤3：发起TCP连接 前插入：

  • 浏览器允许的并发请求优化

下面就让我们从DNS解析开始...

2. DNS解析流程​

以Chrome浏览器为例：

  1. Chrome浏览器 会首先搜索浏览器自身的DNS缓存。

    (缓存时间比较短，默认只有1分钟，且只能容纳1000条缓存)

注：chrome://net-internals/#dns来进行查看Chrome自身的缓存）

  1. 如果浏览器自身的缓存里面没有找到对应的条目，那么Chrome会搜索操作系统自身的DNS缓存

  • Windows - 在Windows中查看DNS缓存条目的过程非常简单。只需打开命令提示符并输入以下命令：ipconfig /displaydns。

  • Mac - 在Mac上查看DNS缓存条目的过程略有不同。需要先打开控制台应用，从左侧边栏选择设备，然后输入：any:mdnsresponder进入搜索栏。接下来，打开命令行并输入以下命令：

    sudo log config --mode "private_data:on"
    sudo killall -INFO mDNSResponder

    然后，返回控制台应用程序并查看缓存的DNS记录列表。例如，下面的屏幕截图显示了wx.qlogo.cn的缓存CNAME记录。

  1. 如果在系统的DNS缓存也没有找到，那么尝试读取hosts文件。看看这里面有没有该域名对应的IP地址，如果有则解析成功。

    • 注：Windows位于C:\Windows\System32\drivers\etc,Mac则是/etc/hosts。
    • 这种操作系统级别的域名解析通常会被不怀好意的人利用，通过修改你hosts文件里的内容把域名解析到他指定的ip地址上，造成所谓的域名劫持，所以将hosts文件设置成了只读模式，防止被恶意篡改。

  2. 如果在hosts文件中也没有找到对应的条目，浏览器就会发起一个DNS的系统调用，请求本地域名服务器localDNS（LDNS）来解析这个域名。

  • 通过UDP协议向DNS的53端口发起请求，这个请求是递归的请求，也就是运营商的DNS服务器必 须得提供给我们该域名的IP地址)
  • 第一次就会请求本地域名服务器（LDNS）来解析这个域名，这台服务一般在你城市的某个角落，距离不会很远，并且他的性能很好，一般都会缓存域名解析结果，大概80%的域名解析到这里都结束了。
  • 如果本地域名解析服务器也没有该域名的记录，则开始递归+迭代解析

直到这里，浏览器能做的所有DNS解析已完成，接下来的步骤就是和服务器相关了。不想看的可以忽略。

  1. 如果localDNS仍然没有命中，就直接到Root Server域名服务器请求解析。
  2. 根域名服务器返回给本地域名服务器一个所查询的主域名服务器（gTLD Server）地址。gTLD是国际顶级域名服务器，如.com、.cn、.org等，全球只有13台左右。
  3. 本地域名服务器localDNS再向上一步返回的gTLD服务器发送请求。
  4. 接受请求的gTLD服务器查找并返回此域名对应的Name Server域名服务器的地址，这个Name Server通常就是用户注册的域名服务器，例如用户在某个域名服务提供商申请的域名，那么这个域名解析任务就由这个域名提供商的服务器来完成。
  5. Name Server域名服务器会查询存储的域名和IP的映射关系表，在正常情况下都根据域名得到目标IP地址，连同一个TTL值返回给DNS Server域名服务器。
  6. 返回该域名对应的IP和TTL值，LDNS会缓存这个域名和IP的对应关系，缓存时间由TTL值控制。
  7. 把解析的结果返回给用户，用户根据TTL值缓存在本地系统缓存中，域名解析过程结束。

注：在实际的DNS解析过程中，可能还不止这11步(第1步其实可以忽略不计。)，如Name Server可能有很多级，或者有一个GTM来负载均衡控制，这都有可能会影响域名解析过程。

不想看文字可以看图：

3. DNS优化​

首先需要明确一点：DNS缓存存在多级缓存，从离浏览器的距离排序的话，有以下几种:

  • 浏览器缓存
  • 系统缓存
  • 路由器缓存
  • IPS服务器缓存
  • 根域名服务器缓存
  • 顶级域名服务器缓存
  • 主域名服务器缓存。

如果每次都经过这么多步骤解析，是否太耗时间？如何减少该过程的步骤呢？ 那就需要DNS优化了。而在前端优化中与DNS有关的有两点：

  • 减少DNS的请求次数
  • DNS预解析

DNS 作为互联网的基础协议，其解析的速度似乎很容易被网站优化人员忽视。现在大多数新浏览器已经针对DNS解析进行了优化，典型的一次DNS解析需要耗费20-120毫秒，减少DNS解析时间和次数是个很好的优化方式。这里就不再述说，着重谈DNS预解析吧。

3.1 前端：DNS prefetch​

DNS prefetch是让具有此属性的域名不需要用户点击链接就在后台解析，而域名解析和内容载入是串行的网络操作，所以这个方式能 减少用户的等待时间，提升用户体验 。

默认情况下浏览器会对页面中和当前域名（正在浏览网页的域名）不在同一个域的域名进行预获取，并且缓存结果，这就是隐式的 DNS Prefetch。

如果想对页面中没有出现的域进行预获取，那么就要使用显示的 DNS Prefetch。

其用法也很简单，只要在link标签上加上对应的属性：

/* 这是用来告知浏览器当前页面要做DNS预解析 */
<meta http-equiv="x-dns-prefetch-control" content="on" /> 
<link rel="dns-prefetch" href="//example.com">
  • 如果你的页面中需要大量访问不同域名的资源，可以利用这项技术加快资源的获取，从而获得更好的用户体验。
  • 需要注意的是，DNS预解析虽好，但是也不能滥用。如果对多页面重复DNS预解析，会增加DNS的查询次数。

目前很多大型站点也应用了这一优化，例如：

淘宝：

京东：

如果需要禁止隐式的 DNS Prefetch，可以使用以下的标签：

<meta http-equiv="x-dns-prefetch-control" content="off">

3.2 后端&运维：CDN与HTTPDNS​

实际上后端&运维能做的优化有三种：

  • CDN
  • HTTPDNS
  • DNS负载均衡

但稍微大型的Web站点，基本舍弃DNS负载均衡这一方案了，缺点太多。感兴趣的可以自行搜索了解。

1. CDN与DNS循环​

CDN, 全称是Content Delivery Network，即内容分发网络。其目的是通过在现有的Internet中增加一层新的CACHE(缓存)层，将网站的内容发布到最接近用户的网络”边缘“的节点，使用户可以就近取得所需的内容，提高用户访问网站的响应速度。

DNS循环： 当权威DNS发现一个域名映射多个IP时，会使用IP轮询的方式来将IP平均分配给多个DNS请求，从而达到负载均衡的效果。

为什么需要CDN?

  • 由于DNS循环时平均分配，不能根据不同服务器的负载情况优化分配，甚至如果有一台服务器宕机了，DNS不能及时了解到该情况把该服务器的IP分配出去，便会造成无法访问。
  • 因此，在权威 DNS 和 服务器之间加上一个CDN层就显得很必要了。
  • CDN 在具备调度分配服务器能力的基础上，能够同步服务器运行情况，然后根据该情况及时适当调整调度策略，从而使得负载均衡能力大大提高。

CDN好处：

  • 解决服务器端的“第一公里”问题。
  • 缓解甚至消除了不同运营商之间互联的瓶颈造成的影响。
  • 减轻了各省的出口带宽压力。
  • 缓解了骨干网的压力。
  • 优化了网上热点内容的分布。

CDN的访问步骤：

（1）未部署CDN应用前：

网络请求路径：

  • 请求：本机网络（局域网）——》运营商网络——》应用服务器机房
  • 响应：应用服务器机房——》运营商网络——》本机网络（局域网）

在不考虑复杂网络的情况下，从请求到响应需要经过3个节点，6个步骤完成一次用户访问操作。

（2）部署CDN应用后：

网络路径：

  • 请求：本机网络（局域网）——》运营商网络
  • 响应：运营商网络——》本机网络（局域网）

在不考虑复杂网络的情况下，从请求到响应需要经过2个节点，2个步骤完成一次用户访问操作。

与不部署CDN服务相比，减少了1个节点，4个步骤的访问。极大的提高的系统的响应速度。

以下是结合具体网络运维的步骤：

step1：用户向localDNS发起请求查询输入域名对应的IP地址（若有缓存直接返回，否则去rootDNS查询）；

step2：localDNS迭代向rootDNS查询，逐级迭代,rootDNS=>顶级DNS=>权限DNS；

step3：获得权限DNS后，localDNS向权限DNS发起域名解析请求；

step4：权限DNS通常会将域名CNAME
【如果有有CNAME则解析CNAME对应的CDN服务，否则的话默认为普通请求，直接返回解析到的IP】到另一个域名，这个域名最终会被指向CDN网络中的智能DNS负载均衡系统；

step5：DNS负载均衡系统通过一些智能算法，将最合适的CDN节点IP地址返回给localDNS；

step6：localDNS将获得的IP地址返回给用户；

step7：用户得到节点的IP地址后，向该节点发起访问请求；

step8：CDN节点返回请求文件，如果该节点中请求的文件不存在，就会再回到源站获取这个文件，然后返回给用户。

2. HTTPDNS：解决DNS挟持：​

来自：也谈 HTTPS - HTTPDNS + HTTPS

在惯有的印象中，很多时候觉得站点上完HTTPS协议就VANS。其实不然：

  • 尽管使用了 HTTPS 技术，部分邪恶的运营商，仍然使用DNS污染技术，让域名指向的他们自己服务器。
  • 而这些服务器并没有部署SSL服务（就算部署了，也会触发 SSL 证书 Common name 不一致报警）， 导致 443 端口直接被拒绝。

运营商为了赚广告钱、省网间结算是不择手段的。 他们普遍使用的劫持手段是通过 ISP提供的 DNS 伪造域名。 那有没有什么方法可以解决 DNS劫持呢？

业界有一套解决这类场景的方案，即 HTTPDNS：

HTTPDNS使用HTTP协议进行域名解析，代替现有基于UDP的DNS协议，域名解析请求直接发送到HTTPDNS服务器，从而绕过运营商的Local DNS，能够避免Local DNS造成的域名劫持问题和调度不精准问题。

HTTPDNS 的原理很简单，将 DNS这种容易被劫持的协议，转为使用HTTP协议请求Domain <-> IP 映射。 获得正确IP之后，Client自己组装HTTP协议，从而避免ISP篡改数据。

腾讯作为首家提供HttpDNS服务的云服务商，有两篇相隔四年发布的文章，非常详细的揭示其中技术细节：

未完待续...​

下一篇的内容讲围绕HTTP 优化的两个大方向：：

  • 减少请求次数。
  • 减少单次请求所花费的时间。

与其对应的内容有：

  • 浏览器允许的并发请求优化，nginx配置/ 域名发散收敛。
  • 资源的压缩与合并，webpack/Gzip 相关。
  • 还有其它兴趣使然的内容...

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