投稿004期 | 剖析WEB前后端技术的原理和实现

使用浏览器访问网站是日常生活中必不可少的一件事情，当我们在浏览器地址栏中输入网址后会看到网站的内容，这个过程简单来说就是浏览器从服务器中获取网站信息，经过渲染后将效果呈现给用户，但过程细节上则包含了网络传输层的TCP协议、网络应用层的HTTP协议、SOCKET通信、服务器和客户端的开发等等技术点，涉及面比较广，对初学者来说存在一定的难度。笔者结合了自身学习的经验选取一些关键技术来和大家进行分享，对技术的原理和实现进行概括和说明。

浏览器访问网站总体来说可以分为以下几步：
1)第一步：浏览器向DNS服务器发起DNS请求，DNS服务器解析域名后返回域名对应的网站服务器IP地址
2)第二步：浏览器获取IP地址后向网络服务器发送一个HTTP请求
3)第三步：网络服务器解析浏览器的请求后从数据库获取资源，将生成的html文件封装至HTTP 响应包中，返回至浏览器解析
4)第四步：浏览器解析HTTP 响应后，下载html文件，继而根据文件内包含的外部引用文件、图片或者多媒体文件等逐步下载，最终将获取到的全部文件渲染成完整的网站页面。
下图抓包显示了访问“www.baidu.com”时，DNS请求和响应、HTTP请求和响应

浏览器与Web服务器之间的请求和响应是使用HTTP协议进行的，但HTTP协议只是应用层使用的协议，传输层进行的数据通信则是通过TCP协议来保证的。

TCP协议是面向连接的协议，总体包括建立连接、数据传输和关闭连接这三个过程，建立连接采用“三次握手”方式来完成，连接成功后即可发送数据，在关闭连接之前，为确保数据正确传递完毕，需要采用“四次挥手”方式关闭连接。

第一次握手：客户端发送连接请求报文段至服务器

第二次握手：服务器收到报文后确认连接请求，向客户端返回应答报文

第三次握手：客户端收到响应后检查ACK(num)和ACK(flag)值，并向服务器给出确认

完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据

第一次挥手：客户端发送释放请求报文段至服务器，并不在发送数据

第二次挥手：服务器收到释放连接请求后向客户端返回应答报文。此时连接处于半关闭状态，即客户端不再向服务器发送数据，但如果服务器仍有数据要发送给客户端，仍可以发送，客户端只要正确收到数据，仍应向服务器发送确认

第三次挥手：若服务器不再向客户端发送数据，则服务器发送连接释放应答至客户端，关闭反方向连接

第四次挥手：客户端收到响应后向服务器给出确认，释放从服务器至客户端方向的连接

完成四次挥手，客户端与服务器全部连接完全释放

也许有人会有疑惑，为什么建立连接协议是“三次握手”，而关闭连接却是“四次挥手”呢？由于TCP连接是全双工的，当关闭连接时，服务器收到客户端的FIN报文通知，仅仅表示客户端没有数据发送给服务器，但未必服务器所有的数据都发送给了客户端，可能还需要发送一些数据后再关闭连接。所以ACK报文和FIN报文分开发送形成了“四次挥手”。

在网络编程中不可避免地会使用到Socket编程，Socket将TCP/IP协议封装成API接口，使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈。Socket是以"打开—读/写—关闭"模式实现，以TCP协议通讯的Socket为例，交互流程大致如下，这里从服务器的角度对流程进行介绍：

创建socket()。socket()根据指定的协议族（IPv4/IPv6）、通信类型（TCP/UDP）在sockfs文件系统中分配一个使用socket描述字关联的资源，进程可以像访问一个已经打开的文件一样访问socket资源。

绑定bind()。bind()在这个socket上绑定一个指定的端口号和IP地址。网络通信归根结底可视为不同计算机上的进程间通讯，IP地址只能确定进程所在的计算机，而结合端口号可以唯一确定整个网络中的一个网络进程。当IP地址为INADDR_ANY(0)时，表示本地计算机的默认IP地址。

监听listen()。服务器socket端口一直处于等待状态，监听网络中所有客户端对端口号请求，随时准备接收客户端发来的连接
接受accept()。服务器socket监听到客户端请求之后，将请求放在等待队列中，accept()从等待队列中提取连接请求，创建一个新的socket进行操作，而原来所监听的socket不受影响。

读/写write()/read()。发送内容即向socket写入内容，读取内容即从socket获取内容

关闭close()。close()关闭socket。

浏览器显示的网页即为web前端界面，提供用户与网站进行交互的可视化接口，而web后端服务主要指在服务器中执行的逻辑运算和数据处理，它为前端提供着访问服务。所谓的前后端只是从代码被执行的位置来区分的，前端代码在用户面前被执行，后端代码在遥远的服务器上被执行。但是，无论前端或后端代码，都是存放在服务器上的，只是当浏览器请求的时候，从服务器发送过去而已。

通常情况下网页的实现是由HTML、CSS和Javascript三者结合完成的，HTML是一种标记语言，负责网页的结构，由HTML的标签元素和文本编写的文档可被浏览器描述为一幅网页，CSS渲染网页元素的样式，而Javascript脚本给网页增加了动态的行为，比如响应用户的行为等。当浏览器载入页面内容时，通常会从上往下顺序执行<script>标记之间的Javascript脚本，当页面载入完成，并且所有脚本执行完成后，浏览器则调用事件处理程序来响应用户的行为。

Web服务器是运行在物理服务器上的一个程序，永久地等待客户端（主要是浏览器，比如Chrome，Firefox等）发送请求。Web服务器通过HTTP协议与客户端通信，当收到请求之后，如果是静态文件的话Web服务器可直接返回，如果不是静态文件的话需要有一个Web应用服务器根据不同的请求处理对应的业务逻辑生成相应的响应，如下图所示。

目前在UNIX和LINUX平台下使用最广泛的免费Web服务器有Apache和Nginx。Nginx是高效的Web服务器和反向代理服务器，可以用作负载均衡，与Apache相比，Nginx支持高并发，可以支持百万级的TCP连接，十万级别的并发连接，部署简单，内存消耗少，成本低，虽然动态请求处理没有Apache丰富，但Nginx支持uWSGI的uwsgi协议，可将动态请求传递至uWSGI处理。

为了简化Web网站的开发，使开发者可以专注于编写业务逻辑代码而无需关心Web应用服务器内各模块连接之类的重复性工作，继而在Web应用服务器上产生了Web框架。MVC是众所周知的Web框架设计模式，即将应用程序分解成model(模型)、view(视图)和 controller(控制器)三个组成部分。用户输入 URL，客户端发送请求，控制器（Controller）首先会拿到请求，然后用模型（Models）从数据库取出所有需要的数据进行必要的处理，将处理后的结果发送给视图（View），视图利用获取到的数据进行渲染生成 Html返回给客户端。MVC设计模式将业务逻辑、数据、界面显示分离，业务逻辑聚集到一个模块中，使得在更改界面时无需重新编写业务逻辑，提高网站的维护性。基于Python的Web框架如Django、tornado、flask、webpy等都在这个范围内进行不同的调整。

在上述web应用工作的原理中，我们通过HTTP协议访问一个在服务端存在的文件，服务器可以找到该文件并将其内容封装到HTTP请求中，以消息体的形式返回给客户端。不过这种方式只能访问静态的页面，无法与后端数据库进行交互。既然用户需要通过web前端实时与后端数据库进行交互，那么网页也需要动态的更新，如果每次更新一个数据都通过重新获取Html文件的方式来实现势必会导致网络负荷加重，页面加载迟缓。而Ajax技术可以很好的解决这个问题。

Ajax即异步JavaScript和XML，是一种创建交互式网页的技术，可以不重新加载整个网页的情况下更新部分 网页。目前jQuery库提供多个与AJAX相关的方法。通过 jQuery AJAX方法，能够使用HTTP Get和HTTP Post从远程服务器上请求文本、HTML、XML或JSON，同时能够把这些外部数据直接载入网页被选元素中。

作为web开发人员广泛采用的JavaScript封装库之一的jQuery库，它可以极大地简化我们的JavaScript编程，缓解浏览器之间不兼容的影响，要知道在不同浏览器中进行web网页的兼容性测试也是一个不小的工作量。我们可以通过一个简单的例子发现jQuery库的优势所在：

$("p.neat").addClass("ohmy").show("slow"); 

通过以上简短的代码，开发者可以遍历“neat”类中所有的p元素，然后向其增加“ohmy”类，同时以动画效果缓缓显示每一个段落。开发者无需检查客户端浏览器类型，无需编写循环代码，无需编写复杂的动画函数，仅仅通过一行代码就能实现上述效果。jQuery的口号“最少的代码做最多的事情”果真名副其实，它把JavaScript带到了一个更高的层次。

对于交互的数据格式，可采用JSON(JavaScript Object Notation)，它是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。JSON键值的层次结构简洁清晰，易于阅读和编写，使得 JSON 成为理想的数据交换语言。举个例子来理解JSON数据格式：

{//JSON键/值对
“'wJsona'”:”kkk”
“'wjsonb'”:”12”
“'wjsonc”:”80”
}

DOM（文档对象模型），它是W3C组织推荐的处理可扩展标记语言（HTML XML）的标准编程接口，它将文档中的对象组织在一个树形结构模型中,因此网页被加载时整个文档映射为一个由层次节点组成的文件，并且以面向对象方式描述了文件中各对象的行为、属性以及这些对象之间的关系，通过 JavaScript可对HTML文档中所有对象进行访问和操作，如动态地添加、删除和修改HTML元素和属性，改变页面中所有CSS样式，也能够对页面中的所有事件做出反应 。

如下图所示，每个方框是文档的一个节点，总共包括三种节点，树形的根部是文档（Document）节点,代表整个文档，元素（Element）节点代表了HTML中的元素，文本（Text）节点代表了文本。同时节点树中的节点彼此拥有层级关系，如下图所示，<html> 节点是根节点，下一级为<head> 和 <body> 节点，他们拥有相同父节点，属于同级的同胞节点，以此类推。

创建DOM节点

var oDiv = document.createElement('div');

添加样式：（Style 对象属性设置样式/Class继承外部文件定义的样式）

document.getElementById("id").style.property="值"
object.className=classname

插入DOM节点：（把节点插入到父节点的末尾/把节点插入到父节点的某个兄弟节点的前面）

document.body.appendChild(oDiv); //把div插入到body中，并且位于末尾
var oP = createElement('p');  //创建一个p节点
document.body.insertBefore(oP,oDiv); //把p节点插入到div的前面

位置的定位排布：CSS的position属性建立了元素布局所用的定位机制，我们可以将元素显示在页面中的任何位置。

Web开发技术除了以上所述的基础技术外，还包括了其他种种客户端和服务端的技术，比如网页插件、服务器的架构及部署、Python/Java等后端编程技术等，大家可以沿着技术进阶之路逐步加深学习，夯实基础知识、加强编程基本功力，早日成为大牛。