通信网笔记 | 易学教程

应用与分层的体系结构

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协议、服务和分层示例

协议的概念：协议是控制两个或多个通信体之间进行交互的一组规则；协议的目的是提供多种类型的通信服务。

计算机中的服务器进程监听来自端口的服务请求。**端口就是一个地址，用来表明哪一个进程将要接收发往特定机器的消息。**应用广泛的应用程序都有其服务器指定的公认端口号，以便其他计算机的客户端进程能够容易地按要求发送请求，服务器对这些请求做出响应。

通过万维网进行浏览

通过万维网（WWW）框架我们可以访问已经连接到Internet上的计算机中的文件，这些文件以**超文本标记语言（HTML）**编写而成，可以包括文本、图表和其他媒体格式，并通过文件中的链接互相联系起来。

通过浏览器程序访问Web页，浏览其中所显示的文档，并可以单击链接来访问其他文档。每一个链接都为浏览器提供了统一资源定位符（URL），URL可以指定存储文档的机器名和包含请求文档的文件名。

超文本传输协议（HTTP）详细规定了客户端和服务器端交互与文件读取有关的规则，这些规则还制定了表达请求和响应时的措辞方式。协议假定客户端和服务器端能够直接交换消息。通常情况下，客户端软件需要在HTTP请求之前建立起双向连接。

从Web上获取文档：

1、用户单机链接，以表明需要获取哪份文档，浏览器必须确定包含此份文档的计算机的网络地址。为此，浏览器要向本地域名服务器发送一个查询。

2、一旦获得该地址，浏览器就会同指定机器的服务进程建立起连接，通常是TCP连接，为了使连接建立成功，这个指定的机器必须做好接受TCP连接的准备。

3、浏览器运行HTTP的客户端版本，生成一个请求，规定文档名和可处理的文档格式。

4-6、包含所请求文档的机器运行HTTP的服务器端版本。发送包含以正确格式存储的所需文档HTTP响应，以此来响应HTTP请求。

7-8、用户开始浏览文档。在指定时间后，TCP连接断开。

从Web上获取文档：HTTP消息交换

事件	消息内容
1、用户选取文档
2、客户端网络软件定位服务器主机，建立双向连接
3、HTTP客户端发送请求文档的报文	GET /comm.html HTTP/1.1
4、HTTP驻留程序TCP端口80侦听并解释报文
5、HTTP驻留程序发送给客户端结果代码和信息描述	HTTP /1.1 200 OK DATE : Tuesday,29 Jan 2020 14:00 GMT Server : Apache/ 1.3.23(UNIX) Last Modified : 28 Jan 2020 14:00 GMT Content-Length : 9999 Content_Type : text/html
6、HTTP驻留程序读取文件并通过TCP端口发送该文件	< html > < head >< title >< /title >… < font face=“Arial” >What is Communication? < /font >
7、客户浏览器解释HTML格式并显示文本
8、连接一旦空闲一段时间后，HTTP驻留程序断开本次连接

注：

1）步骤五中，驻留程序发送状态行和所要发送信息的描述，结果代码200表示客户请求成功。接下来开始发送文件，该消息还包含服务器软件信息、文档长度（9999字节）和文档内容的格式（text/html格式）。如果请求时一幅图片，则它可能是image/gif格式。如果请求失败，服务器将发送另一个不同的结果代码，该代码通常表示失败的类型，如404表示找不到所请求的文件。

2）步骤六中，HTTP驻留程序通过TCP连接来发送文件，与此同时客户端接受该文件并加以显示（步骤七）。服务器保持TCP连接为活动状态，以此接受来自客户端的其他请求。如果TCP连接空闲时间达到某一特定值，服务器将断开本次TCP连接。

HTTP协议仅仅参与到两个对等进程（客户端和服务器端）之间的交互，协议假设对等进程间的交换是直接的，但事实上客户端机器和服务器端通常并不是直接相连的**（两个对等进程的交互是虚拟的，通过TCP间接发生）**，TCP协议提供了网络生两个机器进程间的通信服务（以正确顺序无差错传输字节流的双向连接）。

每一个HTTP进程都将自己的消息插入缓冲区，TCP以信息块（段segment）的形式将缓冲区的内容传输到其他的TCP。每一段都包含有端口号和HTTP消息信息，HTTP调用低于该层的TCP所提供的服务。

HTTP应用协议调用TCP

当HTTP客户端软件首次需要建立TCP连接时，客户端软件即通过一系列的**套接字系统调用(socket system call)**建立起连接。这些调用除了在套接字系统调用时要将控制权交给操作系统内核外，其他都类似于函数调用。*套接字系统调用规定了特定的动作，还可能包含了套接字类型（如TCP或UDP）和地址信息等参数。*这样HTTP层与TCP层之间的交互就可以通过这些套接字系统调用来实现。

DNS查询

在HTTP执行前，客户端首先要执行一个DNS查询，以获取对应于域名的IP地址。这一步通过向DNS服务器发送消息来完成。DNS位于Internet多台机器的分布式数据库，他们可以将域名和IP地址进行转换，并提供电子邮件的路由信息。

DNS解析（http是基于TCP连接的，而TCP则是通过IP地址去识别访问的），DNS 解析就是域名转化成IP地址的过程。

查询类型（四种DNS查询）

第一种是本地解析，就是客户端可以使用缓存信息就地应答，这些缓存信息是通过以前的查询获得的；

第二种是直接解析，就是直接由所设定的DNS服务器解析，使用的是该DNS服务器的资源记录缓存或者其权威回答（如果所查询的域名是该服务器管辖的）；

第三种是递归查询，即设定的DNS服务器代表客户端向其他DNS服务器查询，以便完全解析该名称，并将结果返回至客户端。

第四种是迭代查询，即设定的DNS服务器向客户端返回一个可以解析该域名的其他DNS服务器，客户端再继续向其他DNS服务器查询。

2、DNS查询和响应示例

直接解析过程：

事件	消息内容
1、应用程序请求域名到地址的转换
2、解析器构成查询消息	Header : OPCODE=SQUERY Question : QNAME=tesla.comm.toronto.edu. , QCLASS=IN,QTYPE=A
3、解析器发送封装查询消息的UDP数据报
4、DNS服务器查询地址，做好响应准备	Header : OPCODE=SQUERY, RESPONCE, AA Question : QNAME= tesla.comm.toronto.edu. , QCLASS=IN,QTYPE=A Answer : tesla.comm.toronto.edu. 86400 IN A 128.100.11.1
5、DNS发送封装响应消息的UDP数据报

注：

1）DNS消息报头的OPCODE值表明该消息为标准查询，查询的问题部分包含如下信息：QNAME指出所要翻译的域名；DNS服务器可以处理多种查询（IN表示是一个Internet地址），查询类型有QTYPE所确定（A表示要求将域名翻译为一个IP地址）。

2）步骤四中服务器发回的短消息报头设置了响应和授权应答位，表明响应来自管理域名的组织。问题部分同查询的问题部分相同，应答部分包含提供IP地址的域名，紧跟其后的是生存期字段，该字段以秒为单位规定信息在客户端缓存时间的长短。接下来是QCLASS和QTYPE值，IN值再次表明为Internet地址。最后给出与域名对应的IP地址。

3)DNS查询和响应消息利用用户数据报协议（UDP）提供的通信服务进行传输。UDP客户端将一个报头（header）附加到用户信息中，用以提供端口信息（DNS端口为53），UDP客户端还将结果数据块封入IP包。UDP服务是无连接的，无需建立连接即可直接发送数据报（DNS查询和响应包含短消息，从而使得UDP更加适合于传输查询和响应）。

SMTP和电子邮件

利用简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol,SMTP)进行电子邮件传输

事件	消息内容
1、邮件应用程序建立到本地SMTP服务器的TCP连接（端口25）
2、SMTP驻留程序将如下消息发送到客户端，表明已做好接受邮件的准备	220 tesla.comm.toronto.edu ESMTP Sendmail 8.9.0/8.9.0; Thu, 2 Jul 1998 05:07:59 -0400 (EDT)
3、客户端发送HELO消息并对自己进行标识	HELO bhaskara.comm.utoronto.ca
4、SMTP发送250消息，表明客户端可以继续发送	250 tesla.comm.toronto.edu Hello bhaskara.comm [128.100.10.9], please to meet you
5、客户端发送发送端的电子邮件	MAIL FROM: < banerjea@comm.utoronto.ca >
6、如果成功，SMTP驻留程序将返回250消息	250 < banerjea@comm.utoronto.ca >… Sender ok
7、客户端发送接收端的地址	RCPT TO: < alg@nal.utoronto.ca >
8、返回250消息	250 < alg@nal.utoronto.ca >… Recipient ok
9、客户端发送DATA消息，请求发送邮件消息的权限	DATA
10、SMTP驻留程序发送消息，准许客户端发送邮件消息	354 Enter mail, end with “.” on a line by itself
11、客户端发送实际文本	Hi AL, This section on email sure needs a lot of work…
12、驻留程序指示已收到待传递的消息，返回消息ID	250 FAA00803 Message accepted for delivery
13、客户端指示邮件会话结束	QUIT
14、驻留程序确认绘画结束	221 tesla.comm.toronto.edu closing connection

在传输电子邮件消息之前，引用进程必须建立到本地SMTP服务器的TCP连接（步骤一）。此后发生的一系列数据交换都使用SMTP协议，在这些交换中，客户端识别出自身、发送方和接收方（步骤2-8）。然后，客户端将SMTP服务器所接受的消息传输到服务器，并由服务器传递出去，邮件传送任务即告完成（步骤9-12），这样就结束了这次邮件会话。本地SMTP服务重复这一过程，将消息传输给目标SMTP服务器。为了获取目标SMTP服务器的地址，本地服务器要执行一个类型为MX（邮件交换）的DNS查询。SMTP在目标机器可用时工作最有效，为此，PC环境的用户通常使用POP3从邮件服务器上获取电子邮件。