計算機網路基礎總結之應用層

一、域名系統DNS

把域名（主機名）解析為IP地址。被設計為分散式系統

1.1、層次結構

一個域名有多個層次構成，從上到下分為頂級域名、二級域名、三級域名以及四級域名。所有域名可以畫成一個域名樹。

因此、域名伺服器可以分為以下四類
- 根域名伺服器：解析頂級域名
- 頂級域名伺服器：解析二級域名
- 許可權域名伺服器：解析區內域名
- 本地域名伺服器：也稱為預設域名伺服器。

區和域的概念不同，可以在一個域中劃分多個區。例如在域abc.com中劃分了兩個區abc.com和y.abc.com。

因此就需要兩個域名伺服器：

1.2、解析過程

主機向本地域名伺服器解析過程採用遞迴，而本地域名伺服器向其他域名伺服器可以使用遞迴和迭代兩種方式。

• 迭代方式：本地域名伺服器向一個域名伺服器請求解析之後，結果返回到本地域名伺服器，如果沒找到對應的ip地址，本地域名伺服器繼續向其他域名伺服器請求解析。
• 遞迴方式：結果不是直接返回，而是繼續向前請求解析，最後結果才返回。

1.3、使用的運輸層協議

DNS在解析的過程中使用的是UDP進行傳輸，因為UDP最大隻支援512位元組的資料，如果超過的話就需要使用TCP傳輸。

二、檔案傳輸協議

FTP在運輸層使用的TCP協議，並且需要建立兩個並行的TCP連線：控制連線和資料連線

• 控制連線：在整個回話期間一直開啟，使用的埠是21
• 資料連線：在資料傳送完畢之後進行關閉，使用的連線埠是20、

三、遠端終端協議TELNET

遠端終端協議用於登陸遠端主機，並且遠端主機上的輸出也返回。使用的TCP協議。TELNET可以適應許多計算機和作業系統的差異，例如不同作業系統的換行符定義。

四、電子郵件協議

一個電子郵件系統由三部分組成：使用者代理、郵件伺服器、以及郵件傳送協議和讀取協議。
其中傳送協議常用SMTP，讀取協議常用的是POP3和IMAP。

4.1、POP3

POP3的特點是隻要使用者從伺服器上讀取了郵件，就把該郵件刪除。

4.2、IMAP

IMAP協議中客戶端和伺服器上的郵件保持同步，如果不手動刪除郵件，那麼伺服器上的郵件也不會被刪除，IMAP這種做法可以讓使用者隨時隨地的去訪問伺服器上的郵件。IMAP協議也支援建立自定義的資料夾。

4.3、SMTP

SMTP只能傳送ASCII碼，而網際網路郵件擴充MIME可以傳送二進位制檔案。MIME並沒有改動或者取代SMTP，而是增加郵件主題的結構，定義了非ASCII碼的編碼規則。

五、動態主機配置協議DHCP

DHCP提供了即插即用的聯網方式，永不不需要去手動配置IP地址等資訊。

DHCP配置的內容不僅是IP地址、還包含預設路由IP地址、域名伺服器IP地址。

DHCP的工作流程

• 發現階段：即DHCP客戶機尋找DHCP伺服器的階段。DHCP客戶機以廣播方式（因為DHCP伺服器的IP地址對於客戶機來說是未知的）傳送DHCP discover發現資訊來尋找DHCP伺服器，即向地址255.255.255.255傳送特定的廣播資訊，源IP地址為 0.0.0.0 。網路上每一臺安裝了TCP/IP協議的主機都會接收到這種廣播資訊，但只有DHCP伺服器才會做出響應。
• 提供階段：即DHCP伺服器提供IP地址的階段。在網路中接收到DHCP discover發現資訊的DHCP伺服器都會做出響應，它從尚未出租的IP地址中挑選一個分配給DHCP客戶機，向DHCP客戶機發送一個包含出租的IP地址和其他設定的DHCP offer提供資訊。
• 選擇階段：即DHCP客戶機選擇某臺DHCP伺服器提供的IP地址的階段。如果有多臺DHCP伺服器向DHCP客戶機發來的DHCP offer提供資訊，則DHCP客戶機只接受第一個收到的DHCP offer提供資訊，然後它就以廣播方式回答一個DHCP request請求資訊，該資訊中包含向它所選定的DHCP伺服器請求IP地址的內容。之所以要以廣播方式回答，是為了通知所有的DHCP伺服器，他將選擇某臺DHCP伺服器所提供的IP地址。
• 確認階段：即DHCP伺服器確認所提供的IP地址的階段。當DHCP伺服器收到DHCP客戶機回答的DHCP request請求資訊之後，它便向DHCP客戶機發送一個包含它所提供的IP地址和其他設定的DHCP ack確認資訊，告訴DHCP客戶機可以使用它所提供的IP地址。然後DHCP客戶機便將其TCP/IP協議與網絡卡繫結，另外，除DHCP客戶機選中的伺服器外，其他的DHCP伺服器都將收回曾提供的IP地址。
• 重新登入：以後DHCP客戶機每次重新登入網路時，就不需要再發送DHCP discover發現資訊了，而是直接傳送包含前一次所分配的IP地址的DHCP request請求資訊。當DHCP伺服器收到這一資訊後，它會嘗試讓DHCP客戶機繼續使用原來的IP地址，並回答一個DHCP ack確認資訊。如果此IP地址已無法再分配給原來的DHCP客戶機使用時（比如此IP地址已分配給其它DHCP客戶機使用），則DHCP伺服器給DHCP客戶機回答一個DHCP nack否認資訊。當原來的DHCP客戶機收到此DHCP nack否認資訊後，它就必須重新發送DHCP discover發現資訊來請求新的IP地址。

六、WEB頁面請求過程

假設在學校網路中的一臺主機mac地址為00:16：D3：23：68：8A，它與一個交換機相連，交換機與一個路由去相連。路由器與一個ISP相連，如上圖ISP是comcast.net,在comcast.net中為學校提供了DNS服務，所以DNS伺服器駐留在Comcast網路中而不是學校網路中。

6.1、DHCP配置主機資訊

• 1、主機最開始沒有IP地址以及其其他資訊只有一個mac地址，那麼就需要使用DHCP來獲取IP地址。
• 2、主機生成DHCP請求報文，並將這個報文放入到目的埠為67，源埠為68的UDP報文段中。
• 3、該報文被放入到一個具有廣播IP目的地址（255.255.255.255）和源IP地址（0.0.0.0）的IP資料報中。

• 4、該資料被放入到MAC幀中，該幀具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，將廣播到與交換機相連的所有裝置（其他埠連線的電腦和交換機相連線的路由器）。

  

• 5、連線在交換機的DHCP伺服器（與交換機相連的路由器）接收到廣播幀之後，不斷的向上分解到IP資料報、UDP報文段、DHCP請求報文，之後生成DHCP ACK報文，該報文包含如下資訊：IP地址、DNS伺服器的IP地址、預設閘道器路由器的IP地址、子網掩碼。該報文被放入到UDP報文段中，UDP報文段被放入到IP資料報中，IP資料報被放入到Mac幀中。

  

• 6、該幀的目的地址是請求主機的 MAC 地址，因為交換機具有自學習能力，之前主機發送了廣播幀之後就記錄了 MAC 地址到其轉發介面的交換表項，因此現在交換機就可以直接知道應該向哪個介面傳送該幀。

  

• 7、主機收到該幀後不斷向上分解得到DHCP ACK報文，之後就配置它的IP地址，子網掩碼和DNS伺服器的IP地址，並在其 IP 轉發表中安裝預設閘道器。

6.2、ARP 解析 MAC 地址

• 1、主機通過瀏覽器生成一個TCP套接字，套接字向HTTP伺服器傳送HTTP請求，為了生成該套接字，主機需要知道網站域名對用的IP地址。
• 2、主機生成了一個DNS查詢報文，查詢報文具有53號埠，因為DNS伺服器的埠號是53，生成UDP報文段.
• 3、該報文段被放入到目的地址為DNS伺服器IP地址的IP資料報中。
• 4、該IP資料報被放入到一個乙太網幀中，該幀傳送到預設閘道器路由器。
• 5、但是DHCP 過程只知道閘道器路由器的IP地址，為了獲得閘道器路由器的MAC地址，需要使用ARP地址解析協議，把IP地址轉換成為MAC地址。
• 6、主機生成一個包含目的地址為閘道器路由器IP地址的ARP查詢報文，將該 ARP 查詢報文放入一個具有廣播目的地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）的乙太網幀中，並向交換機發送該乙太網幀，交換機將該幀轉發給所有的連線裝置，包括閘道器路由器。
• 7、閘道器路由器接收到該幀後，不斷向上分解得到 ARP 報文，發現其中的 IP 地址與其介面的 IP 地址匹配，因此就傳送一個 ARP 回答報文，包含了它的 MAC 地址，發回給主機。

6.3、DNS域名解析

• 1、知道了閘道器路由器的 MAC 地址之後，就可以繼續 DNS 的解析過程了。
• 2、閘道器路由器接收到包含DNS查詢報文的乙太網幀後，抽取出IP地址，並根據轉發表決定IP資料報應該轉發的路由器。
• 3、因為路由器具有內部閘道器協議（RIP、OSPF）和外部閘道器協議（BGP）這兩種路由選擇協議，因此路由表中已經配置了閘道器路由器到達DNS伺服器的路由表項。
• 4、到達DNS伺服器後，DNS伺服器向上分解抽取出DNS查詢報文，並在DNS資料庫中查詢帶解析的域名。
• 5、找到DNS記錄後傳送DNS回答報文，將該報文放入UDP報文段中，然後放入IP資料報中，通過路由反向轉發回到閘道器路由器，並經過乙太網交換機到達主機。

6.4 HTTP 請求頁面

• 1、有了 HTTP 伺服器的 IP 地址之後，主機就能夠生成 TCP 套接字，該套接字將用於向 Web 伺服器傳送 HTTP GET 報文。
• 2、在生成 TCP 套接字之前，必須先與 HTTP 伺服器進行三次握手來建立連線。生成一個具有目的埠 80 的 TCP SYN 報文段，並向 HTTP 伺服器傳送該報文段。（詳見計算機網路知識總結之運輸層）
• 3、HTTP 伺服器收到該報文段之後，生成 TCP SYNACK 報文段，發回給主機。
• 4、連線建立之後，瀏覽器生成 HTTP GET 報文，並交付給 HTTP 伺服器。
• 5、HTTP 伺服器從 TCP 套接字讀取 HTTP GET 報文，生成一個 HTTP 響應報文，將 Web 頁面內容放入報文主體中，發回給主機。
• 6、瀏覽器收到 HTTP 響應報文後，抽取出 Web 頁面內容，之後進行渲染，顯示 Web 頁面。

7、常用埠