ブラウザの謎に迫る：URL入力からページ表示までの全過程を解析

記事ディレクトリ

ブラウザの謎に迫る：URL入力からページ表示までの全過程を解析

1 はじめに

現代社会では、ブラウザーは人々がインターネットにアクセスするための主な手段となっており、情報を探す場合でも、オンラインショッピングやソーシャルエンターテイメントを探す場合でも、ブラウザーのサポートは切り離せないものとなっています。しかし、ユーザーとして私たちはブラウザページの表示だけに注目することが多く、ブラウザの背後にあるワークフローについてはほとんど知りません。この記事では、ブラウザが Web ページにアクセスする完全なプロセスを詳しく掘り下げ、ブラウザの背後にある謎のプロセスを明らかにします。

2. URLからIPアドレスへの解決

2.1 DNS解決の役割と原理

ブラウザに URL を入力すると、ブラウザはサーバーとの接続を確立できるように、まず URL を対応する IP アドレスに変換する必要があります。このプロセスは DNS 解決と呼ばれます。DNS (Domain Name System) は、ドメイン名を IP アドレスにマッピングする分散データベースシステムです。

DNS 解決の原理は、再帰クエリと反復クエリによって実装されます。再帰的クエリとは、クライアントがローカル DNS サーバーに対してクエリ要求を開始し、ローカル DNS サーバーが、対応する IP アドレスが見つかるまでレベルごとにルート DNS サーバーにクエリを実行することを意味します。反復クエリとは、DNS サーバーが他の DNS サーバーにクエリ要求を送信し、対応する IP アドレスが見つかるまで返された結果に従ってクエリを継続することを意味します。

2.2 DNS キャッシュの役割と最適化

DNS 解決の効率を向上させるために、ブラウザとオペレーティングシステムは DNS キャッシュを実行します。DNS キャッシュには、解決されたドメイン名と対応する IP アドレスが保存され、次回同じドメイン名に再度アクセスするときは、DNS 解決を行わずにキャッシュから直接 IP アドレスを取得できます。

DNS キャッシュはブラウザキャッシュとオペレーティングシステムキャッシュに分類できます。ブラウザキャッシュとは、現在のブラウザでのみ有効なブラウザ内のキャッシュを指します。オペレーティングシステムキャッシュは、オペレーティングシステム内のキャッシュを指し、すべてのアプリケーションに対して有効です。

2.3 一般的な DNS の問題と解決策

DNS 解決プロセス中に発生する一般的な問題には、DNS 解決の失敗、DNS ハイジャック、DNS キャッシュの失敗などがあります。これらの問題が発生した場合は、次の解決策を試すことができます。

ネットワーク接続が正常かどうかを確認し、インターネットに正常にアクセスできることを確認します。
最新の DNS 解決結果を確実に取得できるように、ブラウザーのキャッシュとオペレーティングシステムのキャッシュをクリアします。
DNS サーバーアドレスを変更し、別の信頼できる DNS サーバーを使用してください。
VPN やその他の方法を使用して、DNS ハイジャックを回避します。

3. サーバーへの接続を確立します

3.1 TCP/IP プロトコルの基本原則

ブラウザとサーバー間の通信には、TCP/IP プロトコルが使用されます。TCP/IP プロトコルは、インターネット通信に使用される一連のプロトコルであり、TCP (Transmission Control Protocol) と IP (Internet Protocol) が含まれます。

TCP プロトコルは、信頼性の高いデータ伝送を提供する役割を担っており、データを小さなデータパケットに分割し、シーケンス番号に従ってデータパケットを並べ替えて再組み立てして、データの整合性と正確性を保証します。IP プロトコルは、送信元アドレスから宛先アドレスへのデータパケットの送信を担当し、IP アドレスを通じてデータパケットを正しい宛先ホストに配置します。

3.2 TCP の 3 ウェイハンドシェイクと 4 ウェイウェーブのプロセス分析

TCP 接続を確立するときは、3 ウェイハンドシェイクが必要です。3 ウェイハンドシェイクのプロセスは次のとおりです。

クライアントは、接続を確立する要求を示す SYN (同期) パケットをサーバーに送信します。
SYN パケットを受信した後、サーバーは SYN+ACK (同期 + 確認) パケットをクライアントに送信して、接続要求の受け入れを示します。
SYN+ACK パケットを受信した後、クライアントは、接続が正常に確立されたことを示す ACK (確認) パケットをサーバーに送信します。

TCP 接続を閉じるときは、4 つのウェーブが必要です。4回手を振る手順は次のとおりです。

クライアントは、接続を閉じる要求を示す FIN (終了) パケットをサーバーに送信します。
FIN パケットを受信した後、サーバーはクライアントに ACK パケットを送信し、シャットダウン要求を受け入れることを示します。
サーバーは、サーバーが接続を閉じる準備ができていることを示す FIN パケットをクライアントに送信します。
FIN パケットを受信した後、クライアントはサーバーに ACK パケットを送信して接続を閉じます。

3.3 HTTP プロトコルと HTTPS プロトコルの違いと使用シナリオ

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) および HTTPS (Hypertext Transfer Protocol Secure) は、ブラウザとサーバー間の通信に使用されるプロトコルです。それらの主な違いはセキュリティです。

HTTP プロトコルはクリアテキストで送信され、送信プロセス中にデータが簡単に盗聴されたり改ざんされたりするため、機密情報の送信には適していません。HTTPS プロトコルは暗号化に SSL/TLS プロトコルを使用し、データのセキュリティを確保するために送信中にデータが暗号化されます。

したがって、HTTP プロトコルは一般的な Web ブラウジングやデータ送信に適しており、HTTPS プロトコルは銀行 Web サイトや電子商取引 Web サイトなど、ユーザーのプライバシーや機密情報を保護する必要がある Web サイトに適しています。

4. HTTPリクエストを送信する

4.1 HTTPリクエストメッセージの構造と内容

HTTP リクエストメッセージは、リクエスト行、リクエストヘッダー、リクエスト本文の 3 つの部分で構成されます。

リクエスト行には、リクエストメソッド、リクエスト URL、HTTP プロトコルバージョンが含まれます。一般的なリクエストメソッドには、リソースに対する操作を指定するために使用される GET、POST、PUT、DELETE などが含まれます。リクエスト URL は、アクセスするリソースのアドレスです。HTTP プロトコルのバージョンは、使用される HTTP プロトコルのバージョン番号を指定します。

リクエストヘッダーには、リクエストに関する追加情報を伝えるために使用される一連のフィールドと値が含まれています。一般的なリクエストヘッダーフィールドには、User-Agent (ユーザーエージェント)、Accept (受け入れ可能なコンテンツタイプ)、Referer (参照ページ) などが含まれます。

リクエストボディにはサーバーに送信するデータが含まれており、POST などのメソッドにのみ含まれます。

4.2 GET リクエストと POST リクエストの違いと使用シナリオ

GET と POST は、HTTP プロトコルでよく使用される 2 つのリクエストメソッドです。

GET リクエストはリソースを取得するために使用され、URL 経由でパラメータを渡します。パラメータは URL に表示されます。GET リクエストはべき等です。つまり、同じ URL を複数回リクエストしても同じ結果が得られます。GET によって要求されるデータの量は制限されており、通常は少量のデータを要求するために使用されます。

POST リクエストはデータの送信に使用され、データはリクエスト本文を通じて渡されます。POST リクエストは、データ量の制限なしで大量のデータを渡すことができます。POST リクエストは冪等ではありません。つまり、同じ URL を複数回リクエストすると、異なる結果が生じる可能性があります。

使用シナリオに応じて、GET リクエストはデータの取得とクエリ操作に適しており、POST リクエストはデータの送信と変更操作に適しています。

4.3 リクエストヘッダーの共通フィールドと関数

リクエストヘッダーには、リクエストに関する追加情報を伝えるために使用されるいくつかの共通フィールドが含まれています。以下は、いくつかの一般的なリクエストヘッダーフィールドとその機能です。

ユーザーエージェント: ブラウザのタイプとバージョン番号を識別します。サーバーは、ユーザーエージェントフィールドに基づいて異なるコンテンツを返すことができます。
Accept: クライアントが受け入れることができるコンテンツタイプを指定します。サーバーは、Accept フィールドに基づいて対応するコンテンツを返すことができます。
リファラー: 現在のリクエストがどのページからリダイレクトされるかを示し、統計とリーチ防止に使用されます。
Cookie: ユーザーのログイン状態を維持するために、クライアントとサーバーの間でセッション情報を転送するために使用されます。
認可: リクエストで認証情報を渡すために使用され、通常は API リクエストに使用されます。

5. サーバーはリクエストを処理します

5.1 リクエストを受信したサーバーの処理の解析

サーバーはクライアントのリクエストを受け取ると、一連の処理を実行します。まず、サーバーはリクエストメッセージを解析し、リクエストメソッド、URL、リクエストヘッダー、その他の情報を抽出します。次に、サーバーは、要求された URL に基づいて、対応するハンドラーまたはリソースを見つけます。次に、サーバーは対応する処理ロジックを実行し、応答データを生成します。最後に、サーバーは応答データを応答メッセージにパッケージ化してクライアントに送信します。

5.2 リクエストを処理するためのサーバープロセスとテクノロジー

サーバーがリクエストを処理するプロセスは、次のステップに分けることができます。

リクエストメッセージを解析し、リクエストメソッド、URL、リクエストヘッダーなどの情報を抽出します。
要求された URL に基づいて、対応するハンドラーまたはリソースを見つけます。
対応する処理ロジックを実行し、応答データを生成します。
応答データを応答メッセージにパックしてクライアントに送信します。

リクエストを処理するサーバーのテクノロジーには次のものが含まれますが、これらに限定されません。

Web サーバー: Apache、Nginx など、HTTP リクエストの受信と処理に使用されます。
バックエンドプログラミング言語: Java、Python、Node.js など、ハンドラーの作成に使用されます。
データベース: MySQL、MongoDB など、データの保存と取得に使用されます。
キャッシュテクノロジ: Redis、Memcached など、データアクセス速度を向上させるために使用されます。

5.3 一般的なサーバーエラーステータスコードとその意味

リクエストの処理中に、サーバーはリクエストの処理結果を示すエラーステータスコードを返す場合があります。一般的なサーバーエラーステータスコードとその意味は次のとおりです。

200 OK: リクエストは成功しました。
400 Bad Request: リクエストが正しくないため、サーバーはリクエストを理解できません。
401 Unauthorized: 権限がありません。認証が必要です。
403 Forbidden: アクセスは禁止されており、サーバーはリクエストを拒否します。
404 Not Found: リソースが見つかりません。サーバーは要求された URL を見つけることができません。
500 内部サーバーエラー: サーバーに内部エラーが発生したため、リクエストを完了できません。

6. ページを受信してレンダリングします。

6.1 HTTP 応答メッセージの受信プロセスの分析

ブラウザはサーバーからの応答メッセージを受信すると、一連の処理を実行します。まず、ブラウザは応答メッセージを解析し、応答ステータスコード、応答ヘッダー、応答本文、およびその他の情報を抽出します。そして、ブラウザはステータスコードに基づいてリクエストの処理結果を判断する。次に、ブラウザは応答ヘッダーのコンテンツタイプに基づいて応答本文を処理する方法を決定します。HTML ページの場合、ブラウザはページをレンダリングし、他の種類のファイルの場合、ブラウザはファイルのダウンロードや画像の表示など、ファイルの種類に応じた対応する処理を実行します。

6.2 フロントエンドレンダリングとバックエンドレンダリングの違い、利点、欠点

フロントエンドレンダリングとバックエンドレンダリングは、ページ表示の 2 つの異なる方法です。

フロントエンドレンダリングとは、データとページ構造を分離し、ブラウザ側で JavaScript を通じてページコンテンツを動的に生成することを指します。フロントエンドレンダリングの利点は、より優れたユーザーエクスペリエンスを提供でき、ページが迅速に読み込まれ、動的なインタラクションを実現できることです。欠点は、より高いブラウザーのパフォーマンスが必要であり、検索エンジンに優しくないことです。

バックエンドレンダリングとは、サーバー側でデータとページ構造を結合し、ページ全体をブラウザーに送信することを指します。バックエンドレンダリングの利点は、ブラウザーでのパフォーマンス要件が低く、検索エンジンにとってより使いやすいことです。欠点は、ページの読み込みが遅く、ユーザーエクスペリエンスが劣ることです。

実際のニーズとプロジェクトの特性に応じて、フロントエンドレンダリングまたはバックエンドレンダリングを選択したり、両方の利点を組み合わせてレンダリングしたりできます。

6.3 フロントエンドページの最適化のための一般的な手法と戦略

ページの読み込み速度とユーザーエクスペリエンスを向上させるために、フロントエンド開発者は次の一般的な最適化のヒントと戦略を採用できます。

リソースファイルを圧縮してマージして、HTTP リクエストの数を減らします。
ブラウザーのキャッシュを使用して、重複したリクエストを減らします。
CDN アクセラレーションを使用して、静的リソースをグローバルに分散された CDN ノードにデプロイします。
画像とスクリプトの読み込みを遅らせて、最初の画面の読み込み速度を向上させます。
遅延読み込みテクノロジーを使用して、最初の画面より下のコンテンツの読み込みを遅らせます。
画像圧縮および最適化ツールを使用して画像サイズを削減します。
CSS スプライトテクノロジーを使用して、画像に対する HTTP リクエストを削減します。
ページの読み込み時間を短縮するには、画像の代わりにフォントアイコンを使用します。
ページのレンダリングをブロックしないように、非同期読み込みスクリプトを使用するか、スクリプトをページの下部に配置します。

7. ページ表示とリソースの読み込み

7.1 HTML 解析と DOM ツリー構築のプロセス

ブラウザは HTML 応答本文を受信すると、解析して DOM ツリーを構築するプロセスを実行します。HTML パーサーは、HTML ドキュメントを解析して DOM ツリーに変換します。DOM ツリーは、一連のノードで構成されるツリー状の構造です。

HTML 解析のプロセスは、トークン化と構築の 2 つの段階に分かれています。トークン化フェーズでは HTML ドキュメントが一連のタグに分解され、構築フェーズではこれらのタグに基づいて DOM ツリーが構築されます。

7.2 CSS 解析とスタイル計算のプロセス

HTML の解析プロセス中に、ブラウザは CSS スタイルシートも解析し、そのスタイルを DOM ツリー内の要素に適用します。CSS 解析のプロセスには、字句解析、構文解析、スタイル計算が含まれます。

字句解析は、CSS コードを一連のタグに分割します。構文分析は、これらのタグに基づいて CSS ルールツリーを生成します。スタイルの計算は CSS ルールツリーと DOM ツリーに基づいて、各要素に適用される最終的なスタイルを計算します。

7.3 JavaScript の解析と実行プロセス

ブラウザは JavaScript コードを検出すると、それを解析して実行するプロセスを実行します。JavaScript パーサーは、JavaScript コードを抽象構文ツリー (AST) に解析し、その AST を実行可能なバイトコードまたはマシンコードに変換します。

JavaScript の実行処理は、インタープリタ実行とコンパイル実行の 2 つの方法に分かれます。解釈実行とは、JavaScript コードを 1 行ずつ解釈して実行し、瞬時にバイトコードを生成して実行します。コンパイルと実行とは、JavaScript コードをマシンコードにコンパイルし、そのマシンコードを直接実行することです。

7.4 画像、スクリプト、スタイルシートなどのリソース読み込みの最適化方法

ページの読み込み速度とユーザーエクスペリエンスを向上させるために、次の最適化方法を使用できます。

画像読み込みの最適化: 適切な画像形式を使用し、画像サイズを圧縮し、遅延読み込みまたは画像をプリロードします。
スクリプト読み込みの最適化: スクリプトをページの下部に配置し、非同期読み込みスクリプトまたは遅延読み込みスクリプトを使用します。
スタイルシートの読み込みの最適化: スタイルシートをページの先頭に配置し、@import を使用してスタイルシートを導入することを避け、インラインスタイルまたはインラインスタイルシートを使用します。

8. まとめ

この記事では、ブラウザが Web ページにアクセスするプロセス全体を深く調査し、URL の入力からページ表示までのプロセスを詳細に分析します。DNS 解決の原理と最適化、サーバーとの接続を確立するプロセスとプロトコル、HTTP リクエストを送信する構造と内容、サーバーがリクエストを処理するプロセスと技術、ページ表示のプロセスと最適化方法、およびリソースの読み込みなど。これらのプロセスとテクノロジーを理解することで、ブラウザーの背後にある謎のプロセスをより深く理解し、対応する最適化戦略を実行してユーザーのアクセスエクスペリエンスを向上させることができます。