Chapter 6

应用层

网络应用的体系结构、DNS域名解析、HTTP协议、电子邮件及文件传输等核心协议

6.1网络应用模型

客户端/服务器模型(C/S)

  • 客户端发起请求，服务器提供服务
  • 服务器永久在线，有固定IP
  • 客户端间歇性上线，动态IP
  • 应用：Web、Email、FTP

P2P模型

  • 每个节点既是客户端也是服务器
  • 无需中心服务器
  • 可扩展性强
  • 应用：BitTorrent、Skype

6.2域名系统

DNS域名系统 HOT

  • 功能：将域名解析为IP地址
  • 基于UDP协议，端口53
  • 层次结构：根域名服务器 → 顶级域名服务器 → 权威域名服务器
  • 解析方式：递归查询、迭代查询
  • 本地DNS缓存
  • 层次域名空间：
    • 域名采用层次树状结构，从右到左层级递减
    • 结构：主机名.三级域名.二级域名.顶级域名
    • 例如：www.example.com.cn 中 cn是顶级，com是二级，example是三级，www是主机
    • 顶级域名(TLD)分类：
      • 国家顶级域名(nTLD)：cn(中国)、us(美国)、jp(日本)、uk(英国)
      • 通用顶级域名(gTLD)：com(商业)、net(网络)、org(组织)、edu(教育)、gov(政府)、mil(军事)
      • 反向域名：arpa（用于反向解析PTR）
    • 域名服务器：
      • 根域名服务器：全球13组，知道所有顶级域名服务器地址
      • 顶级域名服务器：管理该顶级域下的所有授权域名服务器
      • 权限/授权域名服务器：负责一个区的域名解析
      • 本地域名服务器：用户主机配置的DNS，做缓存和代理查询
    • 域名解析方式：
      • 递归查询：主机向本地DNS查询，本地DNS代为查询后返回最终结果（主机-本地DNS之间常用）
      • 迭代查询：本地DNS依次向根→顶级→权威DNS查询，每次返回下一级DNS地址（DNS服务器之间常用）

DNS迭代查询过程

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6.3文件传输协议

FTP的工作原理 KEY

  • 基于TCP，使用两个独立的连接：
    • 控制连接：端口21，始终保持，传输命令（如USER、PASS、LIST、RETR、STOR）
    • 数据连接：端口20（主动模式），传输文件数据，传输完即释放
  • 工作模式：
    • 主动模式(Port)：服务器主动发起数据连接，服务器端口20 → 客户端随机端口
    • 被动模式(Pasv)：客户端主动发起数据连接，客户端随机端口 → 服务器随机端口
    • 被动模式常用于客户端在防火墙/NAT后面的场景
  • 特点：
    • 支持ASCII和二进制两种传输模式
    • 支持断点续传（REST命令）
    • 控制连接和数据连接分离

6.4电子邮件

电子邮件协议

  • SMTP：发送邮件，TCP端口25，推送协议
  • POP3：接收邮件，TCP端口110，下载并删除
  • IMAP：接收邮件，TCP端口143，在线阅读
  • 邮件格式：信封(发件人/收件人) + 首部(Subject/Date) + 主体
  • 电子邮件系统组成：用户代理、邮件服务器、邮件协议
    • 用户代理(UA)：用户读写邮件的程序（如Outlook、Foxmail、网页邮箱）
    • 邮件服务器：发送/接收邮件，维护用户邮箱（SMTP发件服务器+POP3/IMAP收件服务器）
  • 邮件格式与MIME：
    • 信封：发件人地址、收件人地址（SMTP使用）
    • 首部：From、To、Subject、Date、Cc、Bcc等
    • 主体：邮件正文，RFC 822规定只能是ASCII文本
    • MIME（多用途互联网邮件扩展）：
      • 解决RFC 822只能传输ASCII文本的问题
      • 可传输非ASCII文本、图像、音频、二进制文件等
      • 新增首部：MIME-Version、Content-Type、Content-Transfer-Encoding
      • 编码方式：Base64（二进制转ASCII）、quoted-printable（可读文本转义）
      • Content-Type：text/plain、text/html、image/jpeg、application/pdf等
      • multipart类型：mixed(附件)、alternative(纯文本+HTML)、related(内嵌图片)
  • 发送过程：用户代理 → SMTP → 发送方邮件服务器 → SMTP → 接收方邮件服务器 → POP3/IMAP → 用户代理

6.5万维网

万维网的概念与组成结构

  • 万维网(WWW)：不是网络，而是一个大规模的分布式信息资源系统
  • 核心要素：
    • 统一资源定位符(URL)：标识互联网上资源的位置
      • 格式：协议://主机:端口/路径?查询#片段
      • 例：https://www.example.com:443/index.html?id=1#top
    • 超文本传输协议(HTTP)：万维网的应用层协议
    • 超文本标记语言(HTML)：网页的描述语言
    • 浏览器：用户访问万维网的客户端软件
    • Web服务器：存储网页并响应HTTP请求的服务器
  • 工作过程：
    1. 浏览器解析URL
    2. DNS解析域名→IP地址
    3. 建立TCP连接（HTTP默认端口80）
    4. 发送HTTP请求报文
    5. 服务器处理，返回HTTP响应报文
    6. 浏览器解析HTML，渲染页面
    7. 关闭TCP连接（或保持连接）

HTTP协议 HOT

  • 超文本传输协议，基于TCP，端口80
  • 无状态协议（不记录会话）
  • 请求方法：GET(获取)、POST(提交)、PUT(更新)、DELETE(删除)
  • 状态码：200(成功)、301(重定向)、404(未找到)、500(服务器错误)
  • HTTP/1.0：非持久连接（每个请求一个TCP连接）
  • HTTP/1.1：持久连接（一个TCP连接多个请求）
  • HTTP/2.0：多路复用、二进制分帧

HTTP请求-响应过程

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Cookie技术

  • 解决HTTP无状态问题
  • 服务器通过Set-Cookie响应头设置
  • 浏览器后续请求携带Cookie

其他应用层协议

  • Telnet：远程终端协议，TCP端口23，明文传输，不安全
    • 网络虚拟终端(NVT)：统一字符格式，消除系统差异
  • SSH：安全外壳协议，TCP端口22，加密传输
    • 替代Telnet和rlogin等不安全的远程登录协议
    • 支持端口转发、公钥认证等功能
  • DHCP：动态主机配置协议，UDP端口67(服务器)/68(客户端)
    • 功能：自动分配IP地址、子网掩码、网关、DNS等配置信息
    • 工作过程：Discover → Offer → Request → ACK（四步）
    • 使用广播方式（主机还没有IP时只能广播）