计算机网络与通信笔记(二)

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计算机网络与通信笔记

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二、应用层

2.1 应用层协议原理

2.1.1 进程通信

• 客户与服务器进程

  • 网络应用程序运行后，就变成了网络应用进程

  • 两个在不同端系统的进程，通过跨越计算机网络交换报文而相互通信

  • 网络应用程序由成对进程组成，在一对进程的通信会话场景中，发起通信的进程称为客户，等待联系的进程称为服务器

• 进程与计算机网络的接口

  • 进程通过一个称为套接字$ (Socket) $的软件接口向网络发送报文和从网络接收报文
  • 套接字是同一台主机内应用层与运输层的接口，也成为应用程序和网络之间的应用程序编程窗口

• 进程寻址

  • 为了与目的主机上进程的通信，需要定义目的主机的地址和目的主机中指定接收进程的标识符
  • 目的主机地址由$ 32 $位的$ IP $地址标识
  • 目的进程地址由$ 16 $位目的地端口号$ Port\enspace Number $标识，如$ Web $服务器的端口号为$ 80 $，$ SMTP $的端口号为$ 25 $
  • 套接字长度为$ 48 $位

2.1.2 运输服务简介

• $ TCP $服务
  • 面向连接：在报文流动前，$ TCP $让客户和服务器互相交换运输层控制信息以为分组运输做好准备（握手），此时，一个$ TCP $连接在两个进程的套接字直接建立
  • 可靠性：无差错、无字节丢失与冗余、顺序地传输分组
  • 拥塞控制机制：当网络拥塞时，抑制发送进程
  • 不提供加密机制
• $ UDP $服务
  • 没有握手过程
  • 不可靠数据传送服务
  • 没有拥塞控制机制
  • 不提供加密机制
• $ SSL $安全套接字层
  • 提供加密的$ TCP $连接
  • 提供数据完整性和端点鉴别
• 应用层协议与支撑的运输层协议

应用	应用层协议	支撑的运输层协议
电子邮件	$ SMTP $	$ TCP $
远程终端访问	$ Telnet $	$ TCP $
$ Web $、流式多媒体	$ HTTP $	$ TCP $
文件传输	$ FTP $	$ TCP $
因特网电话	$ SIP $、$ RTP $	$ UDP $或$ TCP $

2.2 $ Web $和$ HTTP $

2.2.1 $ HTTP $概述

• 相关概念

  • $ HTTP $全称为超文本传输协议$ (HyperText\enspace Transfer\enspace Protocol) $
  • $ Web $页面由**对象**组成，如$ HTML $文件，$ JPEG $图像

  • 通过$ URL $地址引用对象，$ URL $地址由存放对象的服务器地址和对象的路径组成

    如对于$ URL $地址http://cloudchewie.com/index.html：

    $ cloudchewie.com $为主机名，$ /index.html $为对象路径

  • $ Web\enspace Browser $实现了$ HTTP $的客户端，$ Web\enspace Server $实现了$ HTTP $的服务端，用于存储$ Web $对象，每个对象由$ URL $路径访问，因此$ Web $是典型的$ C/S $模式
  • $ HTTP $负责定义客户向服务器请求$ Web $页面的方式以及服务器向客户返回$ Web $页面的方式，其传递的报文称为$ HTTP $报文

  • 客户向其套接字接口发送$ HTTP $请求报文并从其套接字接口接收$ HTTP $响应报文；当客户发送报文后，该报文即脱离客户控制而进入$ TCP $控制，从而使得应用层协议$ HTTP $无需关心报文丢失和运输层的实现细节

  • $ HTTP $服务器不保存关于客户的任何信息，是一个**无状态协议**

• 非持续连接

  • 每个$ TCP $连接只传输一个请求报文和一个响应报文

  • 当客户接收$ HTTP $响应报文后，$ TCP $连接关闭

  • 如果需要继续发送请求，需要建立全新的$ TCP $连接

  • 可以使用并行的连接改善缩短响应时间

    $ TCP $服务是建立在连接之上的，每次建立连接前，都需要进行三次握手过程，如下图所示：

    1. 客户端向服务器发送一个小的$ TCP $报文段
    2. 服务器用一个小的$ TCP $报文段进行确认和响应
    3. 客户向服务器返回确认并发送$ HTTP $请求报文
    4. 在这之后，服务器开始发送文件到客户

    其中，环节$ 1-2 $占用了一个往返时间$ RTT $，环节$ 3-4 $占用了一个往返时间$ RTT $并且耗费了传输文件的时间

    因此，在非持续连接的HTTP下，每传送一个对象，就需要经受两个RTT的交付时延

• 持续连接

  • 服务器发送$ HTTP $响应报文后保持$ TCP $连接，使得客户的后续请求继续使用该连接进行传送
  • 当该连接经过一定时间间隔（可配置的超时间隔）仍未使用，其服务器就将关闭该连接

2.2.2 $ HTTP $报文

• $ HTTP $请求报文（在线交互程序）

  #典型的HTTP请求报文
  GET /index.html HTTP/1.1\r\n
  Host: www-net.cs.umass.edu\r\n
  User-Agent: Mozilla/5.0\r\n
  Accept: text/html,application/xhtml+xml\r\n
  Accept-Language: en-us,en;q=0.5\r\n
  Accept-Encoding: gzip,deflate\r\n
  Accept-Charset: ISO-8859-1,utf-8;q=0.7\r\n
  Keep-Alive: 115\r\n
  Connection: keep-alive\r\n
  \r\n

  • 请求报文的第一行称为请求行，包括方法字段、$ URL $字段、$ HTTP $版本字段

方法字段	主要作用
$ GET $	向服务器请求指定$ URL $的对象
$ POST $	用于向服务器提交表单数据也可以同时请求一个$ Web $页面
$ DELETE $	返回响应报文，不包含请求的对象
$ PUT $	上传的文件放在实体主体字段中，目标路径由$ URL $字段标明
$ HEAD $	删除$ URL $字段中指定的文件

• 其余行称为首部行

  • $ Host $指明了对象所在的主机
  • $ Connection $指明非持续连接$ (Close) $和持续连接$ (keep-alive) $
  • $ Keep-Alive $指明持续连接的超时间隔
  • $ User-agent $指明用户浏览器类型，有助于服务器根据不同的用户代理发送相同对象的不同版本
  • $ Accept-* $指用户想要得到特定语言、编码格式、字符集的该对象

• 结尾单独一行回车、换行表示报文首部结束

• 实体体，在首部行之后的请求体

  • 当发送$ GET $请求时，实体体为空；
  • 当用户填写表单并发送$ POST $请求时，实体体即为用户填写的表单；
  • 当用户填写表单时，也可以使用$ GET $方法，如/learning/search?key=banana&lang=zh
• $ HTTP $请求报文的通用格式

• $ HTTP $响应报文（在线交互程序）

  #典型的HTTP响应报文
  HTTP/1.1 200 OK\r\n
  Date: Sun, 26 Sep 2010 20:09:20 GMT\r\n
  Server: Apache/2.0.52 (CentOS)\r\n
  Last-Modified: Tue, 30 Oct 2007 17:00:02 GMT\r\n
  ETag: "17dc6-a5c-bf716880"\r\n
  Accept-Ranges: bytes\r\n
  Content-Length: 2652\r\n
  Keep-Alive: timeout=10, max=100\r\n
  Connection: Keep-Alive\r\n
  Content-Type: text/html; charset=ISO-8859-1\r\n
  \r\n
  data data data data data ...

  • 响应报文的第一行称为初始状态行，包括协议版本字段、状态码、状态信息

状态码	状态信息	说明
$ 200 $	$ OK $	请求成功
$ 301 $	$ Moved\enspace Permanently $	请求的对象被永久转移，新的$ URL $定义在$ Location $首部行
$ 400 $	$ Bad\enspace Request $	通用差错代码，请求不能被服务器理解
$ 404 $	$ Not\enspace Found $	被请求的对象不在服务器
$ 500 $	$ HTTP\enspace Version\enspace Not\enspace Supported $	服务器不支持请求报文中的$ HTTP $协议版本

• 其余行称为首部行
  • $ Date $指示服务器发送响应报文的日期时间
  • $ Server $指示服务器类型，类似于请求报文中的$ User-agent $
  • $ Last\enspace Modified $指示对象创建或最后修改的日期时间
  • $ Content-Length $指示被发送对象的字节数
  • $ Content-Type $指示实体体中对象为$ HTML $文本
• 实体体包含被请求的对象
• $ HTTP $响应报文的通用格式

2.2.3 $ Cookie $

• $ Cookie $的意义
  • 限制用户的访问
  • 将内容与用户身份相关联
  • 在无状态的$ HTTP $上建立用户会话层
• $ Cookie $的组成
  • $ HTTP $响应报文中的$ Cookie $首部行
  • $ HTTP $请求报文中的$ Cookie $首部行
  • 端系统中保留$ Cookie $文件
  • $ Web $服务器的$ Cookie $数据库
• $ Cookie $的使用
  • 客户向服务器发送普通请求报文
  • 服务器为客户创建$ ID $如U202073245并放置在响应报文的首部行
  • 客户存储$ Cookie $
  • 客户将$ Cookie $放置在请求报文的首部行
  • 服务器根据$ Cookie $采取指定动作，并返回普通响应报文

2.3 电子邮件

2.3.1 电子邮件系统的构成

• 用户代理
  • 用户可以撰写编辑邮件、查看邮件
  • 如网易邮箱大师、$ FoxMail $
• 邮件服务器
  • 存储用户邮件的服务器
  • 在报文队列中维护需要发送的邮件报文
• 简单邮件传输协议$ SMTP $
  • 将邮件从发送方的客户端发送到发送方的邮件服务器
  • 将邮件从发送方的邮件服务器发送到接收方的邮件服务器

2.3.2 $ SMTP $协议

• 基本介绍（在线交互程序）

  • 使用$ TCP $运输协议进行可靠的邮件传送，端口号为$ 25 $
  • 不使用中间邮件服务器发送邮件，而是直接在发送方服务器和接收方服务器间进行传输
  • 使用持续连接
  • 要求报文（首部和信体）全部使用$ 7-bit\enspace ASCII $码
  • $ SMTP $服务器用$ CRLF.CRLF $表示邮件报文的结束
  

• 报文格式

  From: alice@qq.com
  To: Bob@google.com
  Subject: Searching for the meaning of life.

• 与$ HTTP $协议的对比

	$ HTTP $	$ SMTP $
协议类型	拉协议	推协议
报文编码格式	不限制	$ 7-bit\enspace ASCII $
多对象	每个对象分装在各自的响应报文中	多个对象在多分部的报文中

• 使用$ telnet $指令访问$ QQ $邮箱

  telnet smtp.qq.com 25
  auth login
  base64-mail
  base64-authentication-code
  helo qq.com
  mail from:<xxx@xx.xx>
  rcpt to:<xxx@xx.xx>
  data
  Hello World!
  Hello World!
  .
  quit

2.3.3 $ POP3 $协议

• 运行在端口$ 110 $的邮件访问协议

• 运行方式

  • 特许阶段：用户代理发送用户名和口令以鉴别用户

    主要命令：user 和pass

    服务器的响应回答有$ +OK $、$ -ERR $

  • 事务处理阶段：用户代理取回报文，同时可以对报文做删除标记的更改，获取邮件统计信息

    $ list $——列出报文号码 $ retr $——用报文号码取回报文 $ dele $——用报文号码删除邮件

  • 更新阶段

    $ quit $——结束$ POP3 $会话，服务器删除被标记为删除的邮件

• 使用$ telnet $指令访问$ QQ $邮箱

  telnet pop.qq.com 110
  user QQ-ID
  pass authentication-code
  list
  retr 1
  dele 1
  quit

2.3.4 $ IMAP $协议

• 允许用户在服务器上组织自己的邮件目录

• 维护$ IMAP $会话的用户信息：目录名以及报文$ ID $与目录名之间的映射关系

• 使用$ telnet $指令访问$ QQ $邮箱

  telnet imap.qq.com 143
  a01 login QQ-ID authentication-code
  a02 list "" *
  a03 select inbox
  a04 create folder
  a05 delete folder
  a06 rename oldfolder new folder

2.4 $ DNS $

2.4.1 $ DNS $服务

• $ DNS $简况（在线交互程序）

  • $ DNS $能够将主机名解析为主机的$ IP $地址
  • $ DNS $是一个分布式数据库，由很多$ DNS $服务器按照层次结构组织
  • $ DNS $运行在端到端系统上，且使用$ UDP $协议（$ 53 $号端口）进行报文传输
• $ DNS $解析过程
  • 用户请求$ URL $http://cloudchewie.com/index.html
  • 浏览器抽取出主机名cloudchewie.com并发送给$ DNS $客户端
  • $ DNS $客户端向$ DNS $服务器发送查询请求报文
  • $ DNS $服务器返回包含主机名对应$ IP $地址的响应报文
  • $ DNS $客户端将$ IP $地址传送给浏览器
  • 浏览器向$ IP $地址所在$ Web $服务器发起$ TCP $连接

• 其他服务

  • 主机别名：获取主机别名对应的主机规范名
  • 邮件服务器别名：获取邮件服务器主机别名对应的主机规范名
  • 负载分配：将一个$ IP $地址集合与同一个规范主机名相联系

2.4.2 $ DNS $工作机理

• 采用单台$ DNS $服务器

  • 单点故障：一旦崩溃，因特网瘫痪
  • 通信容量：该台服务器不得不处理所有$ HTTP $请求报文和电子邮件报文
  • 时延严重：集中式数据库将造成严重的拥塞与时延
  • 难以维护：不得不持续更新以适应数据更改

• 采用分布式层次化数据库

  
  • 根服务器提供$ TLD $服务器的$ IP $地址
  • $ TLD $服务器提供权威服务器的$ IP $地址，负责所有顶级域名和所有国家顶级域
  • 权威服务器提供域名到$ IP $地址的映射服务
  • 本地$ DNS $服务器（默认$ DNS $服务器）
    • 当一台主机需要做一个域名查询的时候，查询请求首先被发送到本地域名服务器

• 递归查询与迭代查询（在线交互程序）

• $ DNS $缓存（在线交互程序）

  • 一旦 (任何) 域名服务器得知了某个映射, 就将其缓存
  • 在一定的时间间隔后缓存的条目将会过期（自动消除）
  • $ TLD $服务器的地址通常被缓存在本地$ DNS $服务器中，以减少根服务器负载

2.4.3 $ DNS $记录

格式为四元组$ (Name,Value,Type,TTL) $，其中$ TTL $表示记录的生存时间

$ Type $	$ Name $	$ Value $
$ A $	主机名	$ IP $地址
$ CNAME $	主机别名	规范主机名
$ NS $	域	该域权威域名服务器的主机名
$ MX $	邮件服务器的主机别名	邮件服务器的规范主机名

#使用nslookup进行DNS解析
#进入交互模式
nslookup
server www.net.cn
server dns.hust.edu.cn
set ty=A
cloudchewie.com
hust.edu.cn
set ty=ns
cloudchewie.com
set ty=cname
cloudchewie.com
set ty=mx
hust.edu.com