Day4：应用层——FTP :文件传输协议、电子邮件（EMail）、DNS(Domain Name System)、P2P应用（一类应用）

加油！偷博人！

一、FTP文件传输协议

•  向远程主机上传输文件或从远程主机接收文件
•  客户/服务器模式
   客户端：发起传输的一方
   服务器：远程主机
•  ftp: RFC 959
•  ftp服务器：端口号为21

1.FTP: 控制连接与数据连接分开

 FTP客户端与FTP服务器通过端21联系，并使用TCP为传输协议
 客户端通过控制连接获得身份确认 （Client发起TCP控制连接，用户名、口令，明文传输）
 客户端通过控制连接发送命令浏览远程目录 （list 、download 、upload）
 收到一个文件传输命令时，服务器打开一个到客户端的数据连接 （居然Server主动建立第二个TCP数据连接）
 一个文件传输完成后，服务器关闭连接

 服务器打开第二个TCP数据连接用来传输另一个文件
 控制连接： 带外（ “out of band” ）传送 （传输连接带内连接）
 FTP服务器维护用户的状态信息：当前路径、用户帐户与控制连接对应
有状态

2.FTP命令、响应（ASCII码形式）

• 命令样例：
   在控制连接上以ASCII文本方式传送
   USER username
   PASS password
   LIST：请服务器返回远程主机当前目录的文件列表
   RETR filename：从远程主机的当前目录检索文件(gets)
   STOR filename：向远程主机的当前目录存放文件(puts)

返回码样例：
 状态码和状态信息 (同HTTP)
 331 Username OK, password required
 125 data connection already open; transfer starting
 425 Can’t open data connection
 452 Error writing file

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二、电子邮件（EMail）

• 3个主要组成部分：
   用户代理 （相当于这个应用的代理）（像Browser是HTTP应用的代理，FTP客户端时FTP应用的代理）
  （这个软件代理你去和服务器打交道)
   邮件服务器
   简单邮件传输协议：SMTP

• 用户代理
   又名 “邮件阅读器”
   撰写、编辑和阅读邮件
   如Outlook、Foxmail
   输出和输入邮件保存在服务器上
  
  通过SMTP发邮件，用户代理发邮件给邮件服务器
  通过SMTP邮件服务器互相发邮件
  最后通过pop3文件存储协议，从邮件服务器（邮箱）拉取邮件（有人发的话）到用户代理

1.EMail: 邮件服务器

•  邮箱中管理和维护发送给用户的邮件
•  输出报文队列保持待发送邮件报文
•  邮件服务器之间的SMTP协议：发送email报文
   客户：发送方邮件服务器
   服务器：接收端邮件服务器

2.EMail: SMTP [RFC 2821]

•  使用TCP在客户端和服务器之间传送报文，端口号为25
•  直接传输：从发送方服务器到接收方服务器
•  传输的3个阶段
  握手
  传输报文
  关闭
•  命令/响应交互
  命令：ASCII文本
  响应：状态码和状态信息
•  报文必须为7位ASCII码 （一个字节八bits，最高bit是0）
  那如果超过7bitsASCII码，就不允许传输

3.Alice给Bob发送报文&&简单的SMTP交互

口水话看图说话：
红色单词的是命令后面跟了"命令参数"，数字是状态码后面跟了状态码解释和一些说明。
这些都是明文写的东西，所以，，
伪造一个用户发邮件，也不难…
如果Bob的情敌，伪造Bob给Alice发一封分手信…

4.Try SMTP interaction for yourself:

 telnet servername 25
 see 220 reply from server
 enter HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT commands
above lets you send email without using email client (reader)
我搜了一下这么用telnet发email

5.SMTP：总结

 SMTP使用持久连接
 SMTP要求报文（首部和主体）为7位ASCII编 码
 SMTP服务器使用CRLF.CRLF决定报文的尾部

• 和HTTP比较：
   HTTP：拉（pull）（客户端从服务器pull）
   SMTP：推（push） （Server自己推给Client）
   二者都是ASCII形式的命令/响应交互、状态码
   HTTP：每个对象封装在各自的响应报文中
   SMTP：多个对象包含在一个报文中

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6.邮件报文格式

6.1报文格式：多媒体扩展

 MIME：多媒体邮件扩展（multimedia mail extension）, RFC 2045, 2056
 在报文首部用额外的行申明MIME内容类型

口水话：base64编码，相当于把若干个不在ASCII码编码范围内的字节，转换成更长一点的，在

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7.邮件访问协议

•  SMTP: 传送到接收方的邮件服务器
•  邮件访问协议：从服务器访问邮件
  •  POP：邮局访问协议（Post Office Protocol）[RFC 1939]
     用户身份确认 (代理<–>服务器) 并下载
  •  IMAP：Internet邮件访问协议（Internet Mail Access Protocol）[RFC 1730]
     更多特性 (更复杂)
     在服务器上处理存储的报文
  •  HTTP：Hotmail , Yahoo! Mail等
     方便

7.1POP3协议

7.2POP3 (续) 与 IMAP

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三、DNS(Domain Name System)

一个给其他应用所应用的应用。一个基础性的系统。互联网的核心功能（在互联网边缘）

•  DNS的必要性
   IP地址标识主机、路由器
   但IP地址不好记忆，不便人类使用(没有意义)
   人类一般倾向于使用一些有意义的字符串来标识Internet上的设备
  例如：[email protected] （中科大郑老师的mail-box） 所在的邮件服务器www.ustc.edu.cn （中科大域名） 所在的web服务器
   存在着“字符串”—IP地址的转换的必要性
   人类用户提供要访问机器的“字符串”名称
   由DNS负责转换成为二进制的网络地址

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• DNS系统需要解决的问题 分成的域名命名和分布式的数据库
   问题1：如何命名设备
   用有意义的字符串：好记，便于人类用使用
   解决一个平面命名的重名问题：层次化命名
   问题2：如何完成名字到IP地址的转换
   分布式的数据库维护和响应名字查询
   问题3：如何维护：
  增加或者删除一个域，需要在域名系统中做哪些工作

运行在UDP的53号端口，直接“一问一答”不用建立连接

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1.DNS(Domain Name System)的历史

•  ARPANET的名字解析解决方案
   主机名：没有层次的一个字符串（一个平面）
   存在着一个（集中）维护站：维护着一张 主机名-IP地址的映射文件：Hosts.txt
   每台主机定时从维护站取文件
•  ARPANET解决方案的问题
   当网络中主机数量很大时
   没有层次的主机名称很难分配
   文件的管理、发布、查找都很麻烦

2.DNS(Domain Name System)总体思路和目标

•  DNS的主要思路
   分层的、基于域的命名机制
   若干分布式的数据库完成名字到IP地址的转换
   运行在UDP之上端口号为53的应用服务
   核心的Internet功能，但以应用层协议实现
   在网络边缘处理复杂性
•  DNS主要目的：
   实现主机名-IP地址的转换(name/IP translate)
•  其它目的
   主机别名到规范名字的转换：Host aliasing
   邮件服务器别名到邮件服务器的正规名字的转换：Mail server aliasing
   负载均衡：Load Distribution

3.1问题1：DNS名字空间(The DNS Name Space)

 DNS域名结构

•  一个层面命名设备会有很多重名
•  NDS采用层次树状结构的 命名方法
•  Internet 根（所有域名缩成一个点）被划为几百个顶级域(top lever domains)（然后域名宇宙爆炸了）
  • 通用的(generic)
    .com; .edu ; .gov ; .int ; .mil ; .net ; .org
    .firm ; .hsop ; .web ; .arts ; .rec ;
  • 国家的(countries)
    .cn（China） ; .us（United States） ; .nl（New Zealand） ; .jp（Japan）
•  每个(子)域下面可划分为若干子域(subdomains)
•  树叶是主机

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DNS: 根名字服务器（Internet 根）

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DNS名字空间(The DNS Name Space)

域名(Domain Name)

• 从本域往上，直到树根
  中间使用“.”间隔不同的级别
  例如：ustc.edu.cn
   auto.ustc.edu.cn
   www.auto. ustc.edu.cn
  域的域名：可以用于表示一个域 （从树枝往上走）
  主机的域名：一个域上的一个主机（从树叶往上走）
•  域名的管理
   一个域管理其下的子域
  .jp 被划分为 ac.jp co.jp
  .cn 被划分为 edu.cn com.cn
   创建一个新的域，必须征得它所属域的同意
•  域与物理网络无关（同一个域的主机可以运行在不同网络上）
   域的划分是逻辑的，而不是物理的
  •  域遵从组织界限，而不是物理网络
     一个域的主机可以不在一个网络
     一个网络的主机不一定在一个域

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3.2问题2：解析问题-名字服务器(Name Server)

•  一个名字服务器的问题
   可靠性问题：单点故障
   扩展性问题：通信容量
   维护问题：远距离的集中式数据库
•  区域(zone)
  •  区域的划分有区域管理者自己决定
  •  将DNS名字空间划分为互不相交的区域，每个区域都是树的一部分
  •  名字服务器：
     每个区域都有一个名字服务器：维护着它所管辖区域的权威信息(authoritative record)
     名字服务器允许被放置在区域之外，以保障可靠性

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名字空间划分为若干区域：Zone

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4.TLD服务器

 顶级域(TLD)服务器：负责顶级域名（如com, org, net, edu和gov）和所有国家级的顶级域名（如cn, uk, fr, ca, jp ）
 Network solutions 公司维护com TLD服务器
 Educause公司维护edu TLD服务器

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5.区域名字服务器维护资源记录

• 资源记录(resource records)
  作用：维护 域名-IP地址(其它)的映射关系
  位置：Name Server的分布式数据库中
•  RR格式: (domain_name, ttl, type,class,Value)
  Domain_name: 域名
  Ttl: time to live : 生存时间 (时间长，权威记录；时间短，缓存记录提高效率；到期后，删除，以备权威Server资源记录更新，为了一致性)
  Class 类别 ：对于Internet，值为IN。（也可以维护非Internet记录）
  Value 值：可以是数字，域名或ASCII串。 （域名对应的ip地址）
  Type 类别：资源记录的类型—见下页

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DNS ：保存资源记录(RR)的分布式数据库


A：Address
MX：Mail Box

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资源记录(resource records)

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6.DNS大致工作过程

对于“2：request” 解析器如何知道Local Name Server 身处何方。
1.手工配
2.自动配

6.1本地名字服务器（Local Name Server）

•  并不严格属于层次结构
   每个ISP (居民区的ISP、公司、大学）都有一个本地DNS服务器
   也称为“默认名字服务器”
   当一个主机发起一个DNS查询时，查询被送到其本地DNS服务器
   起着代理的作用，将查询转发到层次结构中

6.2名字服务器(Name Server)

名字解析过程

• 目标名字在Local Name Server中
  情况1：查询的名字在该区域内部
  情况2：缓存(cashing)
• 当与本地名字服务器不能解析名字时，联系根名字服务器顺着根-TLD 一直找到 权威名字服务器

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6.3递归查询&&迭代查询

• 递归查询：
   名字解析负担都放在当前联络的名字服务器上
   问题：根服务器的负担太重
   解决： 迭代查询(iterated queries)
  

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• 迭代查询
   主机cis.poly.edu 想知道主机 gaia.cs.umass.edu的IP地址
   根（及各级域名）服务器返回的不是查询结果，而是下一个NS的地址
   最后由权威名字服务器给出解析结果
   当前联络的服务器给出可以联系的服务器的名字
   “我不知道这个名字，但可以向这个服务器请求”
  
  百度百科的一张图片：
  

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7.DNS协议、报文

DNS协议：查询和响应报文的报文格式相同

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8.提高性能：缓存（前面提到了）

 一旦名字服务器学到了一个映射，就将该映射缓存起来
 根服务器通常都在本地服务器中缓存着
 使得根服务器不用经常被访问
 目的：提高效率
 可能存在的问题：如果情况变化，缓存结果和权威资源记录不一致
 解决方案：TTL（默认2天）

9.问题3：维护问题：新增一个域

•  在上级域的名字服务器中增加两条记录，指向这个新增的子域的域名 和 域名服务器的ip地址

•  在新增子域的名字服务器上运行名字服务器，负责本域的名字解析： 名字->IP地址

• 例子：在com域中建立一个“Network Utopia”（网络乌托邦）
   到注册登记机构注册域名networkutopia.com
   需要向该机构提供权威DNS服务器（基本的、和辅助的）的名字和IP地址
   登记机构在com TLD服务器中插入两条RR记录: (networkutopia.com,dns1.networkutopia.com, NS)
  (dns1.networkutopia.com, 212.212.212.1, A)

•  在networkutopia.com的权威服务器中确保有
   用于Web服务器的www.networkuptopia.com的类型为A的记录
   用于邮件服务器mail.networkutopia.com的类型为MX的记录

10.攻击DNS（总的说来，DNS比较健壮）

DDoS 攻击

•  对根服务器进行流量轰炸
  攻击：发送大量ping
   没有成功
   原因１：根目录服务器配置了流量过滤器，防火墙
   原因２：Local DNS 服务器缓存了TLD服务器的IP地址, 因此无需查询根服务器
•  向TLD服务器流量轰炸攻击
  发送大量查询
   可能更危险
   效果一般，大部分DNS缓存了TLD

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重定向攻击

•  中间人攻击
   截获查询，伪造回答，从而攻击某个（DNS回答指定的IP）站点
•  DNS中毒
   发送伪造的应答给DNS服务器，希望它能够缓存这个虚假的结果
•  技术上较困难：分布式截获和伪造利用DNS基础设施进行DDoS
•  伪造某个IP进行查询， 攻击这个目标IP
•  查询放大，响应报文比查询报文大
•  效果有限

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四、P2P应用

纯P2P架构

•  没有（或极少）一直运行的服务器
   任意端系统都可以直接通信
   利用peer的服务能力
   Peer节点间歇上网，每次IP地址都有可能变化
  例子:
   文件分发 (BitTorrent)
   流媒体(KanKan)
   VoIP (Skype) （互联网语言电话）
  

1.文件分发: C/S vs P2P**

问题: 从一台服务器分发文件（大小F）到N个peer需要多少时间？
 Peer节点上下载能力是有限的资源

• 文件分发时间: C/S模式
  
• 当用户较少，文件传输时长取决于用户的下载能力。当用户相当大，取决于服务器的上载时间。
• 文件分发时间: P2P模式
• 
• 

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2.P2P文件分发： BitTorrent （BT种子）

 文件被分为一个个块256KB
 网络中的这些peers发送接收文件块，相互服务
 每个peer都有一个 bit_map（位图）（每个bit映射0/1来代表每个块的未拥有/拥有文件块的情况）
 然后peer节点泛洪，就知道每个peer的文件拥有情况

peer和peer节点，在应用层逻辑连接，相连互通，相互协作，构成overlay（覆盖网）。

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 新的Peer加入torrent:

•  一开始没有块，bit_map全0（白手起家，困难重重），但是将会通过其他节点处累积文件块
•  向跟踪服务器注册，获得peer节点列表，和部分peer节点构成邻居关系 (“连接”)

当白手起家随机请求了4块之后，（bit_map中4个bits置1），于是优先请求稀缺的文件block，有助于整体的文件共享，有助于缓解拥有稀缺资源的peer下线之后请求不到稀缺资源的情况

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集体的利益和个人利益这么捆绑？
“一报还一报，得道多助，失道寡助，人人为我我为人人”
一开始 ”白手起家“ 很难拿稀缺的块，因为，别人干嘛一来就给你稀缺的块？ 这不符合一报还一报。

•  当peer下载时，该peer可以同时向其他节点提供上载服务
•  Peer可能会变换用于交换块的peer节点
•  扰动churn: peer节点可能会上线或者下线
•  一旦一个peer拥有整个文件，它会（自私的）离开或者保留（利他主义）在torrent中 （成为一个BT种子）
• 成为种子，不选择离开，选择继续服务，就攒人品，可更多更快更好的下载其他peer的资源

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再Summarize一下：

2.1BitTorrent: 请求，发送文件块

请求块：

•  在任何给定时间，不同peer节点拥有一个文件块的子集
   周期性的，Alice节点向邻居询问他们拥有哪些块的信息
   Alice向peer节点请求它希望的块，稀缺的块

发送块：一报还一报tit-for-tat

•  Alice向4个peer发送块，这些块向它自己提供最大带宽的服务
   其他peer被Alice阻塞 (将不会从Alice处获得服务)
   每10秒重新评估一次：前4位
•  每个30秒：随机选择其他peer节点，向这个节点发送块
   “优化疏通” 这个节点
   新选择的节点可以加入这个top 4

2.2BitTorrent: tit-for-tat

(1) Alice “优化疏通” Bob
(2) Alice 变成了Bob的前4位提供者; Bob答谢Alice
(3) Bob 变成了Alice的前4提供者

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3.P2P文件共享

• 例子
   Alice在其笔记本电脑上运行P2P客户端程序
   间歇性地连接到Internet，每次从其ISP得到新的IP地址
   请求“双截棍.MP3”
   应用程序显示其他有“双截棍.MP3” 拷贝的对等方
   Alice选择其中一个对等方，如Bob.
   文件从Bob’s PC传送到Alice的笔记本上：HTTP
   当Alice下载时，其他用户也可以从Alice处下载
   Alice的对等方既是一个Web客户端，也是一个瞬时Web服务器

所有的对等方都是服务器 = 可扩展性好！

• 两大问题：
  如何定位所需资源
  如何处理对等方的加入与离开
• 可能的方案
  集中
  分散
  半分散

4.P2P：集中式目录

最初的“Napster”设计

1. 当对等方连接时，它告知中心服务器：  IP地址  内容
2. Alice查询 “双截棍.MP3” 3) Alice从Bob处请求文件
   P2P：集中式目录中存在的问题
    单点故障 （目录服务器挂了的话）
    性能瓶颈
    侵犯版权
   （文件传输是分散的，而定位内容则是高度集中的）

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5.查询洪泛：Gnutella （完全分布式）

泛洪，一问十，十问百（你有没有学习资料啊,口口相问，很快遍及全网overlay）。
然后出现一个问题，要是真没有，就一直问下去吗？“你有学习资料吗有吗有吗？”
于是有 “治洪”…


Participate in Gnutella
对等方离开，就和所有邻居“say goodbye”

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6.利用不匀称性：KaZaA (半分布式)

在组内是集中式，在组长间是分布式。

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下面再看看具体咋找资源

散列标识（哈希值） 是下载资源的唯一标识，用哈希值来下载文件。
用户在检索的时候，匹配的是 “描述符”

以上所说的都是非结构化的P2P应用。下面是结构化的P2P应用（下面了解一下）

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本篇结束