（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 9 应用层

一、DNS

（一）DNS的组成

域名系统是用于将主机域名解析为IP地址的系统，由解析器和域名服务器组成，DNS主要基于UDP协议，较少情况下使用TCP协议，端口号均为53。

可从三部分来解释域名系统：DNS名字空间、域名服务器和DNS客户机。
1、DNS名字空间
DNS名字空间是树状结构，连接在Internet上的主机或路由器都有唯一的层次结构名称，也称为域名。
不同级别的域名通过“.”隔开，根域处于Internet三域名结构的最高，提供根域名服务，其中根域名也是通过“.”来表示，域名的完整结构如下：
主机.三级域名.二级域名.顶级域名.

主机属于最低层域名，处于域名树的叶子端，代表各类主机提供的服务，而顶级域名处于根域名之下，它可分为国家顶级域名、通用顶级域名和国际顶级域名三大类。
2、域名服务器
域名服务器运行模式为客户机/服务器模式（C/S模式），以下通过域名空间层次和域名服务器的作用可分类如下：
（1）按域名空间层次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四种。
（2）按域名服务器的作用可分为主域名服务器、辅域名服务器、缓存域名服务器和转发域名服务器。

名称	作用
主域名服务器	具有域名数据库，一个域只有一个主域名服务器
辅域名服务器	具有域名数据库，可进行主域名服务器备份，使负载均衡
缓存域名服务器	无域名数据库，有高速缓冲，其获取解析结果耗时最短
转发域名服务器	具有域名数据库，负责非本地和缓存中无法查到的域名转发

其中缓存域名服务器没有域名数据库，它向其他域名服务器进行域名查询，将查询的结果保存在缓存中的域名服务器。

（二）DNS的资源记录类型

1、资源记录的格式
域名数据库中包括DNS服务器所使用的一个或多个区域文件，每个区域都有一组结构化的资源记录，DNS的资源记录格式为：

[引用的域对象名][TTL生存时间记录字段][指定网络的地址类][记录类型][资源记录有关的数据]

其中TTL通常为空，表示生存周期在授权资源记录开始中指定，指定网络的地址类时对于TCP/IP网络使用IN。
2、常见的资源记录

资源记录名称	作用
A	指明一个域名对应的IP地址（将DNS域名映射到IPv4的32位地址）
AAAA	指明一个域名对应的IP地址（将DNS域名映射到IPv6的128位地址）
CNAME	规范名资源记录，也就是别名记录，允许多个名称对应同一个主机（常见别名记录之前必须先创建A记录）
MX	指明邮件服务器的IP地址和优先级
NS	定义区域的授权服务器，指明域名由哪台服务器来解析
PTR	指针，定义了区域的反向搜索，用于将一个IP地址映射为一个主机名

通常不需要设置NS记录，因为域名解析是通过ISP提供的域名服务器解析的，若用户需要自己用DNS服务器来解析自己的域名，则需创建NS记录，并将域名服务器的IP地址告诉给ISP进行登记。

（三）域名解析

将域名解析为IP地址，也就是域名解析，域名解析分为递归查询和迭代查询两种。
1、递归查询
递归查询是主要的域名查询方式，当主机有域名解析的需求时，首先查询本地域名服务器，如果成功，则由本地域名服务器反馈结果；如果查询失败，则查询上一级域名服务器，然后由上一级域名服务器完成查询，即通过该查询方式，发送的域名请求只有1条。

2、迭代查询
当主机有域名解析的需求时，和递归查询一样，也是首先查询本地域名服务器，如果成功，由本地域名服务器反馈结果；如果查询失败，则本地域名服务器直接向根域名服务器发起查询请求，然后本地域名服务器直接向顶级域名服务器发起查询请求，依次迭代下去，直到得到结果IP，这种查询方式发送的域名请求有多条。
3、DNS服务器在解析过程中的查询顺序
在一般情况下，DNS客户端先查找hosts文件中的配置，然后再通过DNS查询，具体的查找顺序如下：

客户机首先查找DNS缓存，若无法找到，则根据本机的配置确定查找HOSTS文件或者是DNS服务器。

（四）DNS安全

DNS系统的是网络运行的前提，可以通过设置防火墙控制对DNS的访问、避免DNS的主机信息被窃取、限制区域传输等方式确保DNS的安全。

另外，DNS通知是一种安全机制，即只有被通知的辅助服务器才能进行区域复制，从而防止未授权的服务器非法区域复制，它也是一种推进机制，用于辅助服务器及时更新区域的信息。

二、DHCP

（一）DHCP的基本概念

动态主机配置协议是基于BOOTP上的改进所来的主机配置协议，通过该协议，DHCP服务器为DHCP客户端进行动态IP地址分配，即不必指明DHCP服务器的IP地址就能获得DHCP服务。

（二）DHCP的相关端口

当需要跨越多个网段提供DHCP服务时，要通过DHCP中继代理获取外网IP地址，从而在DHCP客户和服务器之间转发DHCP消息的主机或路由器。

DHCP服务端使用UDP（用户数据报协议）的67号端口来监听和接收客户请求消息，而客户端通过UDP的68号端口接收来自DHCP服务器的消息回复，而当DHCP客户端无法找到对应的服务器、获取合法IP地址失败的前提下，此时获取的IP地址为169.254.X.X（window系统中）。

（三）DHCP的优点

通过采用DHCP分配IP地址可以合理地分配IP地址资源（超过租约或由用户释放的IP地址会被服务器收回，并重新分配给其它的主机）、减少网络管理人员的工作量（由于其自动获取服务器提供的配置参数）和减少IP地址分配出错的可能（服务器对地址池的管理防止出错）等等，但不能提高域名解析的速度。

（四）DHCP的工作流程

1、第一步，DHCP客户端发送IP租用请求（发送一个DHCPDISCOVER广播消息），其封包的源地址为0.0.0.0，目标地址为255.255.255.255，即DHCP客户端在启动时会向网络发出一个DHCPDISCOVER包来请求IP地址为0.0.0.0。
2、第二步，收到后，DHCP服务器提供IP租用服务，通过UDP的67号端口向DHCP客户端回应一个DHCPOFFER信息，其中包括一个还没被分配的有效IP地址。
3、第三步，IP租用选择，由于同一子网中可能有多台DHCP服务器，在一般情况下，客户端会采用最先到达的DHCP服务器并分配IP地址，即此时不止一台DHCP服务器收到DHCPOFFER信息，所以客户端选择最先到达的DHCPOFFER并发送DHCPREQUEST消息包。
4、第四步，IP租用确认，DHCP服务器向客户端发送一个DHCPACK确认信息，其中包括IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址以及IP地址的租约期限（默认为8天）。
5、第五步，获取后DHCP客户端重新登录（即重新联网），直接发送包含之前分配的地址信息的DHCPREQUEST请求（依然是通过广播方式），DHCP服务器收到请求后，若该地址可用，则返回DHCPACK信息确认，若不可用则发送DHCPNACK信息否认（此时客户端就需从头开始申请IP地址）。

（五）DHCP的更新租约和管理

1、DHCP的更新租约
DHCP服务器向DHCP客户端发送的IP地址都有一个租用期限（默认为8天），在期限到达时，DHCP会收回出租的IP地址，若想延长租约则需更新IP租约，而若没有延长租约从而超过租约期限或由用户自己释放的IP地址会被DHCP服务器收回，并重新分配给其它的主机。
在DHCP客户端启动时和IP租约期过一半（50%）时，DHCP客户端会自动向DHCP服务器发送更新IP租约的信息，若没有响应，则在IP的使用时间到达租约期的87.5%时会再次请求更新。
2、DHCP的管理
通过使用DHCP可将所有获取IP地址的主机划分为不同的类别进行管理，对于频繁变化的、使用远程访问的笔记本和移动设备则需提供较短的租约时间，例如移动用户适合划分到租约期较短的类别，固定用户适合划分到租约期较长的类别，远程访问用户适合划分到默认路由类别，服务器适合划分到固定IP地址的类别。

三、FTP和TFTP

（一）FTP的基本概念和相关端口

文件传输协议，用于在Internet上控制文件的传输，通过TCP（传输控制协议）的20号端口建立的连接是数据连接，通过TCP的21号端口建立的连接是控制连接，若客户端应用进程的命令端口为N，则数据传输端口为N+1（N≥1024）。

（二）FTP的工作方式

FTP有两种工作方式，分为主动式和被动式。
1、主动式
当需要传输数据时，客户端从一个任意的非系统端口N（N≥1024）连接到FTP服务器的21号端口（控制连接），随后开始监听端口N+1发送FTP命令至FTP服务器，服务器会从20号数据端口向客户端指定的N+1号端口发送连接请求，并建立一条数据链路来传输数据。
2、被动式
当需要传输数据时，被动式与主动式一样，连接到FTP服务器的21号端口，随后客户端发送PASV命令，且服务器响应，然后服务器开启一个任意的非系统端口Y（Y≥1024），客户端从端口N+1连接到FTP服务器的Y号端口。

（三）TFTP的基本概念

TFTP与FTP类似，相对于FTP其小而简单，基于UDP协议，一般用于路由器、交换机、防火墙配置文件传输。

三、WWW和HTTP

（一）WWW的构成

WWW，即万维网，基于URL进行定位，通过HTTP（超文本传送）协议传送给用户，由HTML（超文本标记语言）进行文档的展现。
1、URL
统一资源标识符是为万维网上资源定位的系统，它由四个部分组成：

<协议>://表示使用的哪种协议来获取文档，比如http、https、ftp等等；主机表示资源主机的域名，端口表示主机服务端口（有时候可省略），路径表示资源在主机中的具体位置（有时候可省略）。
2、HTTP
HTTP是一种网络传输协议，所有的 WWW 文件都必须遵守这个标准。
3、HTML
HTML语言用于描述网页文档，WWW采用客户机/服务器（C/S）的工作模式，首先用户使用浏览器或其它程序建立客户机与浏览器的连接，并发送浏览请求，Web服务器接收到请求后返回信息到客户机，通信完成后关闭连接。

（二）HTTP

1、HTTP协议的相关端口
HTTP协议通过使用TCP的80号端口提供服务，它工作在客户机/服务器（C/S）的模式下，客户端发起一个到服务器上指定端口（默认端口为80）的HTTP请求，收到请求后服务器向客户端发回响应消息，其中客户端请求和连接端口需大于1024。
HTTP使用TCP协议的原因是，通过TCP协议提供传输控制，可用对数据进行顺序组织且可以对错序数据进行纠正。
2、HTTP报文
HTTP报文分为请求报文和响应报文，前者是客户端向服务器发送的请求报文，而后者是服务器应答客户端的报文。
常见的请求报文如下：

名称	作用
GET	读网页，请求读取URL标识的信息
HEAD	读网页头，请求读取URL标识的信息首部
POST	推送网页信息，将消息加载到指定网页上
PUT	指明URL常见或修改资源，用于上传资源
DELETE	删除URL所指定的资源
OPTION	请求一些参数信息
TRACE	进行环路测试
CONNECT	用于代理服务器

（三）HTTPS

HTTP有很大的安全缺陷，由于其数据的明文传送和消息完整性检测的缺乏，所以在HTTP 的基础上加入SSL（安全套接字协议），通过传输加密和身份认证，相比于HTTP，保证了传输过程的安全性，可防止数据在传输过程中被窃取、改变，确保数据的完整性。

四、电子邮件协议

常见的电子邮件协议有：简单邮件传输协议（SMTP）、邮局协议（POP，目前版本是POP3）和Internet邮件访问协议（IMAP，目前版本是IMAP4）三种协议。

（一）SMTP

简单邮件传输协议负责底层的邮件系统，将邮件从一台主机发送至另一台主机，它基于TCP协议的25号端口。

（二）POP

邮局协议是将邮件从邮件服务器中传输至用户计算机的协议，它基于TCP协议的110号端口，客户端软件与POP3服务器建立TCP连接，由于使用了客户端软件，所以可看作采用C/S模式。

（三）IMAP

Internet邮件访问协议是POP的一种替代协议，提供了邮件检索和邮件处理的新功能，它增强了电子邮件的灵活性，它基于TCP协议的143号端口。

五、SNMP

（一）OSI定义的网络管理

OSI定义的网络管理有五大功能域：性能管理、配置管理、故障管理、安全管理和计费管理。

（二）CMIS/CMIP

公共管理信息服务/协议是OSI模型提供的网络管理协议簇，CMIS定义了每个网络组成部件提供的网络管理服务，而CMIP是实现CMIS服务的协议。

（三）网络管理系统

网络管理系统主要包括四大部分：至少一个网络管理站、多个被管代理、网管协议(如SNMP、CMIP)，以及至少一个网管信息库。一个代理由多个管理站管理，一个管理进程可以联系多个代理，一个代理也可以给多个管理进程提供信息。
在SNMPv3中，网络管理站和代理统一叫做SNMP实体，SNMP实体由一个SNMP引擎和一个或多个SNMP应用程序组成。
1、网络管理站
网络管理站位于网络系统主干或靠近主干的工作站，是网络管理系统的核心，驻留在网络管理的服务器上，负责管理代理和管理信息库，实施网络管理功能，作为网络管理员与网络管理系统的接口。
2、代理
代理位于被管理设备内部，在网络管理系统中，主机、网桥、路由器及集线器可作为被管代理工作，负责收集被管理设备的各种信息和响应管理站的命令或请求，并将其传输至MIB数据库中。
3、管理信息库（MIB）
一个虚拟数据库，提供有关被管理网络各类系统和设备的信息，属于分布式数据库。
4、网络管理协议
网络管理协议用于在管理站和代理之间传递、交互信息，比如SNMP和CMIS/SMIP。

（四）SNMP的组成

简单网络管理协议是一组标准，它基于UDP协议，SNMP协议实体发送请求和应答报文的默认端口号是161，SNMP代理发送陷阱报文(Trap)的默认端口号是162，由SNMP协议、管理信息库（MIB）和管理信息结构（SMI）三项组成，它是进行网络设备间通信的管理协议，可以进行网络状态监视、网络参数设定、网络流量统计与分析、发现网络故障等等。

（五）SNMP PDU

SNMP规定了五个重要的协议数据单元PDU，也称为SNMP报文，可分为从管理站到代理的SNMP报文和代理到管理站的SNMP报文。

如下表，两种SNMP报文：

（六）SNMP版本

SNMP版本由SNMPv1、SNMPv2、SNMPv3三个版本，SNMPv1易于实现，同一团体的管理站和代理才能互相作用；SNMPv2可以实现分布和集中两种方式的管理，它较于SNMPv1增加管理站之间的信息交换，且增加多协议支持，引入了信息模块的概念；SNMPv3采用模块化设计，提供安全的支持，基于用户的安全模型。

（七）管理信息库（MIB）

目前的管理信息库版本为MIB-2，每个MIB-2信息包括若干个MIB变量，常见的MIB-2信息类别有：

MIB中被管对象的访问方式有只读、读写、只写和不可访问四种方式。

七、Telnet

Telnet即TCP/IP终端仿真协议，它是一种基于TCP协议端口号为23的虚拟终端通信协议，采用的工作方式也是C/S（客户端/服务器）的工作方式，通过网络虚拟终端（NVT）实现客户端和服务器的数据传输，NVT代码中包含了标准ASCII字符集和Telnet命令集，是本机终端和远程主机之间的网络接口，从而实现远程登录、远程管理交换机和路由器等功能。

八、SSH和SSL

SSH（安全外壳协议）是一种可靠的、为远程登录会话以及其他网络服务提供安全性的协议，它是位于应用层和传输层基础上的安全协议，通过SSH协议阔以对所有传输的数据进行加密，同时防止DNS欺骗和IP欺骗，另外它由于传输的数据是经过压缩的所以可以加快传输的速度。