应用层

约 3459 个字 12 行代码 3 张图片 预计阅读时间 17 分钟

我们不妨重新回顾一下网络中各层的作用:

分层	数据单位	主要作用	典型设备/协议
应用层 (Application)	报文 (Message)	为应用程序提供服务, 处理业务逻辑	HTTP, DNS, SMTP
运输层 (Transport)	报文段 (Segment) / 用户数据报 (Datagram)	进程到进程 (Port-to-Port) 的通信, 提供通用数据传输服务	TCP, UDP
网络层 (Network)	分组 (Packet)	主机到主机 (Host-to-Host) 的通信, 路由选择, 分组转发	IP, 路由器
数据链路层 (Data Link)	帧 (Frame)	点到点 (Node-to-Node) 的通信, 链路管理, 差错检测	以太网, 交换机
物理层 (Physical)	比特 (Bit)	透明传输比特流	网线, 光纤, 集线器

P2P 通信

在P2P通讯中,没有明确的服务器与客户端的划分,每个节点既可以作为服务器也可以作为客户端

其优点表现于:

1. 减轻了服务器的压力

2. 降低了网络的复杂度

3. 可拓展性强

动态主机配置协议

动态主机配置协议 (DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol) 是目前广泛使用的协议，它提供了一种即插即用的连网机制，允许计算机自动获取 IP 地址等网络配置信息。

核心功能

• 自动分配 IP 地址: 避免手动配置的繁琐和冲突。

• 分配其他网络参数: 子网掩码、默认网关、DNS 服务器地址等。

• 地址重用: 使用租约机制，IP 地址可以被回收和重新分配。

工作流程 (4个步骤)

DHCP 的交互过程通常被称为 DORA (Discover, Offer, Request, Acknowledge)。

1. DHCP Discover (发现):

   • 客户端 -> 广播: "谁有多余IP?"
   • 因为客户端还没 IP，所以使用 UDP 广播发送 (源IP 0.0.0.0, 目的IP 255.255.255.255, 目的端口 67)。

2. DHCP Offer (提供):

   • 服务器 -> 广播/单播: "我是 DHCP 服务器，我可以给你这个 IP (例如 192.168.1.100)。"

   • 服务器会预留这个 IP，不再分给别人。

3. DHCP Request (请求):

   • 客户端 -> 广播: "我收到了你的 Offer，我就要这个 IP 了 (192.168.1.100)！"

   • 为什么还是广播?: 为了告诉 所有 DHCP 服务器 (如果有多个)，它选择了哪一个服务器的 Offer。其他未被选中的服务器就可以撤销预留的 IP 了。

4. DHCP ACK (确认):

   • 服务器 -> 广播/单播: "好的，IP 正式分配给你，租期是 8 小时。这是你的掩码、网关和 DNS。"

   • 客户端收到 ACK 后，才可以正式使用该 IP。

DHCP 交互过程

sequenceDiagram
    participant Client as 客户端 (Client)
    participant Server as DHCP服务器 (Server)

    Note over Client: 刚接入网络, 没有 IP

    rect rgb(240, 248, 255)
    Note right of Client: 阶段一: 发现与提供 (Discovery & Offer)
    Note over Client, Server: 1. DHCP Discover (发现)
    Client->>Server: 广播: "谁是DHCP服务器? 我需要IP"
    Note right of Client: 0.0.0.0 -> 255.255.255.255

    Note over Client, Server: 2. DHCP Offer (提供)
    Server-->>Client: 广播/单播: "我是服务器, 提供IP 192.168.1.10"
    Note left of Server: 预留该IP
    end

    rect rgb(255, 250, 240)
    Note right of Client: 阶段二: 请求与确认 (Request & ACK)
    Note over Client, Server: 3. DHCP Request (请求)
    Client->>Server: 广播: "我接受 192.168.1.10"
    Note right of Client: 告知所有DHCP服务器自己的选择

    Note over Client, Server: 4. DHCP ACK (确认)
    Server-->>Client: 广播/单播: "确认分配, 租期8小时"
    Note right of Client: 配置网络参数, 开始上网
    end

域名系统

域名通过DNS服务器解析为IP地址

域名结构

因特网采用了 层次树状结构 的命名方法。任何一个连接在因特网上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名(Domain Name)。

语法规则:

1. 标号 (Label):

   • 域名由 点 (dot) 分隔开的多个标号组成。例如 www.example.com。
   • 标号只能包含 字母, 数字 和 连字符(-)。
   • 不区分大小写 (比如 CNN.com 和 cnn.com 是一样的)。
   • 每个标号不超过 63 个字符。

2. 长度限制:

   • 完整的域名不超过 255 个字符。

3. 层级顺序:

   • 级别最低的标号写在最左边，级别最高的写在最右边。

域名的层级:

• 根域名 (Root Domain): 树的顶端，用 . 表示 (通常省略不写)。

• 顶级域名 (TLD, Top-Level Domain):

  • 国家顶级域名 (nTLD): .cn, .us, .uk 等。

  • 通用顶级域名 (gTLD): .com, .net, .org, .edu, .gov 等。

• 二级域名 (Second-Level Domain): 注册在顶级域名之下的域名，例如 baidu.com 中的 baidu。

• 三级域名 (Third-Level Domain): 例如 tieba.baidu.com 中的 tieba。

域名服务器

域名服务器可分为根域名服务器、顶级域名服务器、权限域名服务器和本地域名服务器。

1. 根域名服务器 (Root DNS Server):

   • 路由器将用户的请求转发到最近的根域名服务器。

   • 根域名服务器返回顶级域名服务器的IP地址。

2. 顶级域名服务器 (Top-Level DNS Server):

   • 可能返回最后的IP地址,也可能返回权限域名服务器的IP地址。

   • 管理在该顶级域名下的二级域名。

3. 权限域名服务器 (Authoritative DNS Server):

   • 每一个主机的域名都必须在某个权限域名服务器处注册登记。

   • 返回最后的IP地址。

4. 本地域名服务器 (Local DNS Server):

   和上面三者不属于一个结构

   • 本地域名服务器将域名解析为IP地址。

   • 如果本地域名服务器没有该域名的解析结果,则将请求转发到根域名服务器。

域名解析

递归查询 (Recursive Query)

核心思想: 查询请求 "托付" 给下一级服务器。

• 主机向本地域名服务器的查询一般都是 递归查询。
• 如果本地域名服务器不知道被查询域名的 IP 地址，那么 本地域名服务器 就以 DNS 客户的身份，向其他根域名服务器发出查询请求，报文使用 UDP。
• 特点: 被查询的服务器必须给出最终的查询结果（IP 地址或报错），即 "要么给结果，要么你自己去查然后给我结果"。

递归查询示意图

sequenceDiagram
    participant Host as 主机
    participant Local as 本地域名服务器
    participant Root as 根域名服务器
    participant TLD as 顶级域名服务器

    Note left of Host: 递归查询: 靠你了!

    Host->>Local: 1. 查询 www.example.com

    rect rgb(240, 248, 255)
    Note right of Local: Local 自己去查
    Local->>Root: 2. 查询 www.example.com
    Root-->>Local: 3. 返回 IP 或 下一级地址
    end

    Local-->>Host: 4. 返回最终结果

迭代查询 (Iterative Query)

核心思想: "自力更生"。

• 本地域名服务器向根域名服务器查询。

• 根域名服务器告诉本地域名服务器: "我不知道具体的 IP，但你可以去问问顶级域名服务器 (比如 .com 那个)，这是它的 IP"。

• 本地域名服务器这就跑去问顶级域名服务器。

• 顶级域名服务器告诉本地域名服务器: "我不知道具体的 IP，但你可以去问问权限域名服务器 (比如 example.com 那个)，这是它的 IP"。

• 本地域名服务器这就跑去问权限域名服务器。

• 权限域名服务器告诉本地域名服务器: "我知道了! IP 是 1.2.3.4"。

• 本地域名服务器告诉主机: "我知道了! IP 是 1.2.3.4"。

• 特点: 指路不带路。每次查询得到的都是 "下一级是谁"，而不是最终结果 (除非到了最后一步)。

迭代查询示意图

sequenceDiagram
    participant Local as 本地域名服务器
    participant Root as 根域名服务器
    participant TLD as 顶级域名服务器
    participant Auth as 权限域名服务器

    Note left of Local: 迭代查询: 自己跑腿

    Local->>Root: 1. 查询 www.example.com
    Root-->>Local: 2. 我不知道, 但 .com 的服务器(TLD)知道, IP是...

    Local->>TLD: 3. 查询 www.example.com
    TLD-->>Local: 4. 我不知道, 但 example.com 的服务器(权限)知道, IP是...

    Local->>Auth: 5. 查询 www.example.com
    Auth-->>Local: 6. 知道了! IP 是 1.2.3.4

文件传输协议 (FTP)

文件传输协议 (FTP) 是互联网上使用最广泛的文件传输协议。它使用 TCP 服务, 是一种 有状态 的协议。

核心特点: 双连接模式

FTP 的一个显著特点是它使用 两个并发的 TCP 连接:

1. 控制连接 (Control Connection):

   • 端口: 21
   • 生命周期: 贯穿整个会话期间 (Persistent)。
   • 作用: 传输控制命令 (如登录用户名、密码、改变目录 CWD、获取列表 LIST 等)。

2. 数据连接 (Data Connection):

   • 端口: 20 (主动模式下)
   • 生命周期: 非持久 (Non-persistent)。每传输一个文件, 就建立一个新的数据连接, 传输完毕后关闭。
   • 作用: 实际传输文件内容。

实际上,FTP协议等实现和我们实验6的内容十分相似,都是由主进程来监听客户的连接,一旦有连接,创建子进程来处理

FTP 的两种传输模式

数据连接的建立有两种模式, 主要区别在于 谁主动发起连接。

主动模式 (Active Mode / PORT)

服务器连接客户端的20端口

• 原理: 客户端监听一个随机端口 \(N\), 并命令服务器 "来连我的端口 \(N\)"。服务器收到后, 从端口 20 发起连接去连客户端。

• 弊端: 容易被客户端的防火墙拦截 (因为是外部试图连入内部)。

被动模式 (Passive Mode / PASV)

客户端连接服务器的随机端口

• 原理: 客户端命令服务器 "进入被动模式"。服务器开启一个随机端口 \(P\), 并通知客户端 "我的端口是 \(P\)"。客户端主动发起连接去连服务器的端口 \(P\)。

• 优势: 对客户端防火墙友好 (因为是客户端发起的出站连接)。现代 FTP 客户端默认为被动模式。

有状态 (Stateful)

FTP 服务器必须维护用户的状态信息 (如当前工作目录、用户账户关联)。这限制了服务器同时支持的用户数量 (可拓展性较差)。

电子邮件 (Electronic Mail)

电子邮件系统主要由三个主要构件组成: 用户代理 (User Agent)、邮件服务器 (Mail Server) 和 邮件传输协议。

过程简述: 发送方推给服务器 (SMTP), 服务器推给服务器 (SMTP), 接收方从服务器拉取 (POP3/IMAP)。

sequenceDiagram
    autonumber
    participant Sender as 发件人
    participant UA_Sender as 用户代理 (Sender)
    participant Server_Sender as 发送端邮件服务器
    participant Server_Receiver as 接收端邮件服务器
    participant UA_Receiver as 用户代理 (Receiver)
    participant Receiver as 收件人

    Note over Sender, UA_Sender: 1. 撰写和编辑
    Sender->>UA_Sender: 撰写邮件

    Note over UA_Sender, Server_Sender: 2. 发送邮件 (SMTP)
    Sender->>UA_Sender: 点击 "发送"
    UA_Sender->>Server_Sender: 发送邮件

    Note right of Server_Sender: 3. 放入缓存队列

    Note over Server_Sender, Server_Receiver: 4. 直接传输 (SMTP)
    Server_Sender->>Server_Receiver: 建立 TCP 连接并发送
    Note right of Server_Sender: 无中间服务器落地

    Note right of Server_Receiver: 5. 放入收件人邮箱

    Note over Receiver, UA_Receiver: 6. 读取邮件 (Pull)
    Receiver->>UA_Receiver: 打算收信
    UA_Receiver->>Server_Receiver: 请求获取 (POP3/IMAP)
    Server_Receiver-->>UA_Receiver: 返回邮件
    UA_Receiver-->>Receiver: 阅读邮件

邮件协议概览

协议	全称	端口	作用	类型
SMTP	Simple Mail Transfer Protocol	25	发送邮件: 1. 用户 -> 发送方服务器 2. 发送方服务器 -> 接收方服务器	推 (Push)
POP3	Post Office Protocol v3	110	接收邮件: 接收方服务器 -> 用户	拉 (Pull)
IMAP	Internet Mail Access Protocol	143	接收邮件: 接收方服务器 -> 用户	拉 (Pull)

通用互联网邮件扩充 (MIME)

由于 SMTP 最初设计时只能传输 7-bit ASCII 文本, 无法直接传输非英语字符、二进制文件 (图片、视频) 等。MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) 协议解决了这个问题。

• 作用: MIME 在用户代理 (UA) 处将非 ASCII 数据 (如中文、图片) 转换为 ASCII 格式, 再交给 SMTP 传输。接收方收到后再还原。
• 不取代 SMTP: MIME 是 SMTP 的补充, 并不是取代 SMTP。

MIME 头部字段

MIME 增加了一些新的邮件首部字段来描述数据内容:

• MIME-Version: MIME 版本。
• Content-Type: 数据类型 (如 text/html, image/jpeg).
• Content-Transfer-Encoding: 编码方式 (如 Base64 用于将二进制转为 ASCII).

SMTP (简单邮件传输协议)

SMTP 用于将邮件从发送方的邮件服务器传输到接收方的邮件服务器。

SMTP 关键点

• 推协议 (Push Protocol): 发送方主动发起连接。
• ASCII 命令: 所有命令和响应都是 7-bit ASCII 文本 (这也是为什么需要 MIME 来传输非文本数据)。
• 持久连接: SMTP 一般使用持久连接。
• 交互过程:
  1. 握手 (Handshaking)
  2. 报文传输 (Transfer of messages)
  3. 关闭 (Closure)

POP3 vs IMAP (邮件访问协议)

当邮件到达接收方的邮件服务器后, 用户代理 (UA) 需要使用拉协议 (Pull Protocol) 将邮件取回。

不能用 SMTP 取邮件

SMTP 是推协议, 也就是 "我要给你东西"。也就是用户不能命令服务器 "把我的邮件推给我", 而是需要自己去 "拉"。

POP3 (邮局协议)

• 简单: 功能有限。
• 工作模式:
  • 下载并删除 (Download and Delete): 邮件一旦下载到本地, 服务器上就删除了。
  • 下载并保留 (Download and Keep): 允许在服务器上保留副本。
• 无状态 (Stateless): POP3 服务器在会话之间通常不保留状态信息 (除了邮件本身)。

IMAP (因特网邮件访问协议)

• 复杂 & 强大: 允许用户在服务器上组织邮件。
• 在以服务器为中心的模式: 邮件一直保存在服务器上, 用户可以在不同设备上看到一致的文件夹状态。
• 主要功能:
  • 创建/删除/重命名服务器上的文件夹。
  • 只下载邮件头 (Header),以此决定是否下载正文。
  • 有状态 (Stateful): 服务器必须维护目录结构和邮件状态 (已读/未读/红旗等)。

比较 POP3 和 IMAP

如果你只在一个设备上看邮件, POP3 够用了。 如果你既在手机看, 又在电脑看, 还需要同步 "已读" 状态和文件夹, 必须用 IMAP。

万维网

万维网中,所有资源通过统一资源定位符(URL)来定位,并通过超文本传输协议(HTTP)来传输。

直白的说,www=URL+HTTP+HTML

统一资源定位符 (URL)

URL 是用来标识互联网上资源位置的字符串。

一般形式: <协议>://<主机>:<端口>/<路径> * 协议: 如 http, ftp. * 主机: 域名或 IP 地址. * 端口: 可省略 (HTTP 默认为 80). * 路径: 资源在服务器上的具体位置.

超文本传输协议 (HTTP)

HTTP 是一个 无状态 (Stateless) 的协议。服务器不保留客户端的历史请求记录。

• Cookie: 为了解决无状态带来的业务困难 (如购物车、登录状态), 引入了 Cookie 技术在客户端保存状态。

HTTP 连接方式

1. 非持久连接 (Non-persistent) (HTTP/1.0):

   • 每请求一个对象 (如一张图片), 都要新建一个 TCP 连接。
   • 开销大, 效率低。

2. 持久连接 (Persistent) (HTTP/1.1):

   • 流水线方式 (Pipelined): 默认. 客户端可以以此发送多个请求, 不必等待响应。
   • 非流水线方式: 客户收到前一个响应才能发下一个请求。

HTTP 报文格式

HTTP 报文是面向文本的。

请求报文 (Request)

由 请求行 (Request Line)、首部行 (Headers) 和 实体主体 (Body) 组成。

GET /index.html HTTP/1.1      <-- 请求行: 方法 URL 版本
Host: www.example.com         <-- 首部行: 键值对
User-Agent: Mozilla/5.0
Connection: keep-alive        <-- `Connection: keep-alive` 表示持久连接,若为`close`则表示非持久连接
                              <-- 空行 (CRLF)
(Body: GET方法通常为空)        <-- 实体主体

响应报文 (Response)

由 状态行 (Status Line)、首部行 (Headers) 和 实体主体 (Body) 组成。

HTTP/1.1 200 OK               <-- 状态行: 版本 状态码 短语
Date: Tue, 01 Jan 2024...     <-- 首部行
Content-Type: text/html
Content-Length: 1234
                              <-- 空行 (CRLF)
<html>...</html>              <-- 实体主体: 请求的文件内容

常用方法 (Methods)

• GET: 请求读取由 URL 所标识的信息 (最常用)。
• POST: 向服务器提交数据 (如表单提交)。
• HEAD: 请求读取由 URL 所标识的信息的首部 (不返回主体, 用于测试文件是否存在/修改时间)。
• PUT: 上传文件。
• DELETE: 删除资源。

状态码 (Status Codes)

• 2xx (成功): 200 OK (请求成功)。
• 3xx (重定向): 301 Moved Permanently (永久移动)。
• 4xx (客户端错误): 400 Bad Request (请求语法错误), 404 Not Found (找不到资源)。
• 5xx (服务器错误): 500 Internal Server Error (服务器内部故障), 502 Bad Gateway (网关错误)。

超文本标记语言 (HTML)

HTML 是一种标记语言 (Markup Language), 使用标签 (Tag) 来描述网页的结构和内容。

• HTML:描述网页上有什么

• CSS:描述网页上怎么显示

• JS:描述网页上怎么交互

评论