计算机网络知识总结之应用层

计算机网络基础总结之应用层

一、域名系统DNS

把域名（主机名）解析为IP地址。被设计为分布式系统

1.1、层次结构

一个域名有多个层次构成，从上到下分为顶级域名、二级域名、三级域名以及四级域名。所有域名可以画成一个域名树。

因此、域名服务器可以分为以下四类
- 根域名服务器：解析顶级域名
- 顶级域名服务器：解析二级域名
- 权限域名服务器：解析区内域名
- 本地域名服务器：也称为默认域名服务器。

区和域的概念不同，可以在一个域中划分多个区。例如在域abc.com中划分了两个区abc.com和y.abc.com。

因此就需要两个域名服务器：

1.2、解析过程

主机向本地域名服务器解析过程采用递归，而本地域名服务器向其他域名服务器可以使用递归和迭代两种方式。

迭代方式：本地域名服务器向一个域名服务器请求解析之后，结果返回到本地域名服务器，如果没找到对应的ip地址，本地域名服务器继续向其他域名服务器请求解析。
递归方式：结果不是直接返回，而是继续向前请求解析，最后结果才返回。

1.3、使用的运输层协议

DNS在解析的过程中使用的是UDP进行传输，因为UDP最大只支持512字节的数据，如果超过的话就需要使用TCP传输。

二、文件传输协议

FTP在运输层使用的TCP协议，并且需要建立两个并行的TCP连接：控制连接和数据连接

控制连接：在整个回话期间一直打开，使用的端口是21
数据连接：在数据传送完毕之后进行关闭，使用的连接端口是20、

三、远程终端协议TELNET

远程终端协议用于登陆远程主机，并且远程主机上的输出也返回。使用的TCP协议。TELNET可以适应许多计算机和操作系统的差异，例如不同操作系统的换行符定义。

四、电子邮件协议

一个电子邮件系统由三部分组成：用户代理、邮件服务器、以及邮件发送协议和读取协议。
其中发送协议常用SMTP，读取协议常用的是POP3和IMAP。

4.1、POP3

POP3的特点是只要用户从服务器上读取了邮件，就把该邮件删除。

4.2、IMAP

IMAP协议中客户端和服务器上的邮件保持同步，如果不手动删除邮件，那么服务器上的邮件也不会被删除，IMAP这种做法可以让用户随时随地的去访问服务器上的邮件。IMAP协议也支持创建自定义的文件夹。

4.3、SMTP

SMTP只能发送ASCII码，而互联网邮件扩充MIME可以发送二进制文件。MIME并没有改动或者取代SMTP，而是增加邮件主题的结构，定义了非ASCII码的编码规则。

五、动态主机配置协议DHCP

DHCP提供了即插即用的联网方式，永不不需要去手动配置IP地址等信息。

DHCP配置的内容不仅是IP地址、还包含默认路由IP地址、域名服务器IP地址。

DHCP的工作流程

发现阶段：即DHCP客户机寻找DHCP服务器的阶段。DHCP客户机以广播方式（因为DHCP服务器的IP地址对于客户机来说是未知的）发送DHCP discover发现信息来寻找DHCP服务器，即向地址255.255.255.255发送特定的广播信息，源IP地址为 0.0.0.0 。网络上每一台安装了TCP/IP协议的主机都会接收到这种广播信息，但只有DHCP服务器才会做出响应。
提供阶段：即DHCP服务器提供IP地址的阶段。在网络中接收到DHCP discover发现信息的DHCP服务器都会做出响应，它从尚未出租的IP地址中挑选一个分配给DHCP客户机，向DHCP客户机发送一个包含出租的IP地址和其他设置的DHCP offer提供信息。
选择阶段：即DHCP客户机选择某台DHCP服务器提供的IP地址的阶段。如果有多台DHCP服务器向DHCP客户机发来的DHCP offer提供信息，则DHCP客户机只接受第一个收到的DHCP offer提供信息，然后它就以广播方式回答一个DHCP request请求信息，该信息中包含向它所选定的DHCP服务器请求IP地址的内容。之所以要以广播方式回答，是为了通知所有的DHCP服务器，他将选择某台DHCP服务器所提供的IP地址。
确认阶段：即DHCP服务器确认所提供的IP地址的阶段。当DHCP服务器收到DHCP客户机回答的DHCP request请求信息之后，它便向DHCP客户机发送一个包含它所提供的IP地址和其他设置的DHCP ack确认信息，告诉DHCP客户机可以使用它所提供的IP地址。然后DHCP客户机便将其TCP/IP协议与网卡绑定，另外，除DHCP客户机选中的服务器外，其他的DHCP服务器都将收回曾提供的IP地址。
重新登录：以后DHCP客户机每次重新登录网络时，就不需要再发送DHCP discover发现信息了，而是直接发送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request请求信息。当DHCP服务器收到这一信息后，它会尝试让DHCP客户机继续使用原来的IP地址，并回答一个DHCP ack确认信息。如果此IP地址已无法再分配给原来的DHCP客户机使用时（比如此IP地址已分配给其它DHCP客户机使用），则DHCP服务器给DHCP客户机回答一个DHCP nack否认信息。当原来的DHCP客户机收到此DHCP nack否认信息后，它就必须重新发送DHCP discover发现信息来请求新的IP地址。

六、WEB页面请求过程

假设在学校网络中的一台主机mac地址为00:16：D3：23：68：8A，它与一个交换机相连，交换机与一个路由去相连。路由器与一个ISP相连，如上图ISP是comcast.net,在comcast.net中为学校提供了DNS服务，所以DNS服务器驻留在Comcast网络中而不是学校网络中。

6.1、DHCP配置主机信息

1、主机最开始没有IP地址以及其其他信息只有一个mac地址，那么就需要使用DHCP来获取IP地址。
2、主机生成DHCP请求报文，并将这个报文放入到目的端口为67，源端口为68的UDP报文段中。
3、该报文被放入到一个具有广播IP目的地址（255.255.255.255）和源IP地址（0.0.0.0）的IP数据报中。
4、该数据被放入到MAC帧中，该帧具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，将广播到与交换机相连的所有设备（其他端口连接的电脑和交换机相连接的路由器）。
5、连接在交换机的DHCP服务器（与交换机相连的路由器）接收到广播帧之后，不断的向上分解到IP数据报、UDP报文段、DHCP请求报文，之后生成DHCP ACK报文，该报文包含如下信息：IP地址、DNS服务器的IP地址、默认网关路由器的IP地址、子网掩码。该报文被放入到UDP报文段中，UDP报文段被放入到IP数据报中，IP数据报被放入到Mac帧中。
6、该帧的目的地址是请求主机的 MAC 地址，因为交换机具有自学习能力，之前主机发送了广播帧之后就记录了 MAC 地址到其转发接口的交换表项，因此现在交换机就可以直接知道应该向哪个接口发送该帧。
7、主机收到该帧后不断向上分解得到DHCP ACK报文，之后就配置它的IP地址，子网掩码和DNS服务器的IP地址，并在其 IP 转发表中安装默认网关。

6.2、ARP 解析 MAC 地址

1、主机通过浏览器生成一个TCP套接字，套接字向HTTP服务器发送HTTP请求，为了生成该套接字，主机需要知道网站域名对用的IP地址。
2、主机生成了一个DNS查询报文，查询报文具有53号端口，因为DNS服务器的端口号是53，生成UDP报文段.
3、该报文段被放入到目的地址为DNS服务器IP地址的IP数据报中。
4、该IP数据报被放入到一个以太网帧中，该帧发送到默认网关路由器。
5、但是DHCP 过程只知道网关路由器的IP地址，为了获得网关路由器的MAC地址，需要使用ARP地址解析协议，把IP地址转换成为MAC地址。
6、主机生成一个包含目的地址为网关路由器IP地址的ARP查询报文，将该 ARP 查询报文放入一个具有广播目的地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）的以太网帧中，并向交换机发送该以太网帧，交换机将该帧转发给所有的连接设备，包括网关路由器。
7、网关路由器接收到该帧后，不断向上分解得到 ARP 报文，发现其中的 IP 地址与其接口的 IP 地址匹配，因此就发送一个 ARP 回答报文，包含了它的 MAC 地址，发回给主机。

6.3、DNS域名解析

1、知道了网关路由器的 MAC 地址之后，就可以继续 DNS 的解析过程了。
2、网关路由器接收到包含DNS查询报文的以太网帧后，抽取出IP地址，并根据转发表决定IP数据报应该转发的路由器。
3、因为路由器具有内部网关协议（RIP、OSPF）和外部网关协议（BGP）这两种路由选择协议，因此路由表中已经配置了网关路由器到达DNS服务器的路由表项。
4、到达DNS服务器后，DNS服务器向上分解抽取出DNS查询报文，并在DNS数据库中查找带解析的域名。
5、找到DNS记录后发送DNS回答报文，将该报文放入UDP报文段中，然后放入IP数据报中，通过路由反向转发回到网关路由器，并经过以太网交换机到达主机。

6.4 HTTP 请求页面

1、有了 HTTP 服务器的 IP 地址之后，主机就能够生成 TCP 套接字，该套接字将用于向 Web 服务器发送 HTTP GET 报文。
2、在生成 TCP 套接字之前，必须先与 HTTP 服务器进行三次握手来建立连接。生成一个具有目的端口 80 的 TCP SYN 报文段，并向 HTTP 服务器发送该报文段。（详见计算机网络知识总结之运输层）
3、HTTP 服务器收到该报文段之后，生成 TCP SYNACK 报文段，发回给主机。
4、连接建立之后，浏览器生成 HTTP GET 报文，并交付给 HTTP 服务器。
5、HTTP 服务器从 TCP 套接字读取 HTTP GET 报文，生成一个 HTTP 响应报文，将 Web 页面内容放入报文主体中，发回给主机。
6、浏览器收到 HTTP 响应报文后，抽取出 Web 页面内容，之后进行渲染，显示 Web 页面。