五、应用层

其他 2021-03-03 16:39
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计算机网络 - 应用层

前言

协议定义：

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功能：

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网络应用模型:

  • 客户/服务器模型（client/server模型）
  • P2P模型（peer to peer）= 对等模型。
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域名系统DNS

DNS 是一个分布式数据库，提供了主机名和 IP 地址之间相互转换的服务。这里的分布式数据库是指，每个站点只保留它自己的那部分数据。

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域名具有层次结构，从上到下依次为：根域名、顶级域名、二级域名。

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域名服务器：

  • 根域名服务器：知道所有顶级域名服务器的IP地址。a.rootservers.net 一直到m，13个。
  • 顶级域名服务器：管理该服务器注册的所有二级域名。
  • 权限域名服务器：负责一个区的域名服务器。
  • 本地域名服务器：当一个主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文就发给本地域名服务器。离本地主机很近，快。

两种查询方法：

  • 递归：靠别人。由各个服务器一级一级往下查询最后一级一级返回。（少用）
  • 迭代：靠自己。由本地服务器一级一级查询，每一级直接返回结果或者下一级服务器地址。

**高速缓存：**本地服务器中。存放最近查过的域名，以及从哪里获得这个域名映射信息的记录。定时更新，每一项内容都设置一个定时器，并且处理超过合理时间项。另外，主机也会有高速缓存。

DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 进行传输，使用的端口号都为 53。大多数情况下 DNS 使用 UDP 进行传输，这就要求域名解析器和域名服务器都必须自己处理超时和重传从而保证可靠性。在两种情况下会使用 TCP 进行传输：

  • 如果返回的响应超过的 512 字节（UDP 最大只支持 512 字节的数据）。
  • 区域传送（区域传送是主域名服务器向辅助域名服务器传送变化的那部分数据）。

文件传送协议FTP

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  • 主进程：唯一，可以接收新的请求。打开服务器的21端口，等待客户发起连接请求。
  • 从属进程：处理连接请求。

FTP 使用 TCP 进行连接，它需要两个连接来传送一个文件：

  • 控制连接：服务器打开端口号 21 等待客户端的连接，客户端主动建立连接后，使用这个连接将客户端的命令传送给服务器，并传回服务器的应答。始终是开启的，直到会话结束。
  • 数据连接：服务器打开端口号 20，用来传送一个文件数据。文件传完就会关闭。端口号与传输模式有关，主动方式是20，被动方式由服务器和客户端协商决定，大于1024。

根据数据连接是否是服务器端主动建立，FTP 有主动和被动两种模式：

  • 主动模式：服务器端主动建立数据连接，其中服务器端的端口号为 20，客户端的端口号随机，但是必须大于 1024，因为 0~1023 是熟知端口号。

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  • 被动模式：客户端主动建立数据连接，其中客户端的端口号由客户端自己指定，服务器端的端口号随机。

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主动模式要求客户端开放端口号给服务器端，需要去配置客户端的防火墙。被动模式只需要服务器端开放端口号即可，无需客户端配置防火墙。但是被动模式会导致服务器端的安全性减弱，因为开放了过多的端口号。

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动态主机配置协议

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用的连网方式，用户不再需要手动配置 IP 地址等信息。

DHCP 配置的内容不仅是 IP 地址，还包括子网掩码、网关 IP 地址。

DHCP 工作过程如下：

  1. 客户端发送 Discover 报文，该报文的目的地址为 255.255.255.255:67，源地址为 0.0.0.0:68，被放入 UDP 中，该报文被广播到同一个子网的所有主机上。如果客户端和 DHCP 服务器不在同一个子网，就需要使用中继代理。
  2. DHCP 服务器收到 Discover 报文之后，发送 Offer 报文给客户端，该报文包含了客户端所需要的信息。因为客户端可能收到多个 DHCP 服务器提供的信息，因此客户端需要进行选择。
  3. 如果客户端选择了某个 DHCP 服务器提供的信息，那么就发送 Request 报文给该 DHCP 服务器。
  4. DHCP 服务器发送 Ack 报文，表示客户端此时可以使用提供给它的信息。

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远程登录协议

TELNET 用于登录到远程主机上，并且远程主机上的输出也会返回。

TELNET 可以适应许多计算机和操作系统的差异，例如不同操作系统系统的换行符定义。

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协议。

邮件协议包含发送协议和读取协议

  • 发送协议常用 SMTP
  • 读取协议常用 POP3 和 IMAP。
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1. 简单邮件传送协议SMTP

SMTP 规定了14条命令（几个字母），和21中应答信息（3位数字+简单文字说明）。

TCP连接、端口号25、客户端/服务器。

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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，而是增加邮件主体的结构，定义了非 ASCII 码的编码规则。

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缺点：

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2. 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。最新版本的 POP3 可以不删除邮件。

TCP连接、端口号110、客户端/服务器。

3. 网际报文存取协议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去访问服务器上的邮件。
在这里插入图片描述

#4. 万维网电子邮件

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常用端口

应用 应用层协议 端口号 传输层协议 备注
域名解析 DNS 53 UDP/TCP 长度超过 512 字节时使用 TCP
动态主机配置协议 DHCP 67/68 UDP
简单网络管理协议 SNMP 161/162 UDP
文件传送协议 FTP 20/21 TCP 控制连接 21，数据连接 20
远程终端协议 TELNET 23 TCP
超文本传送协议 HTTP 80 TCP
简单邮件传送协议 SMTP 25 TCP
邮件读取协议 POP3 110 TCP
网际报文存取协议 IMAP 143 TCP

##Web 页面请求过程

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三个主要概念：URL、HTTP、HTML

1. DHCP 配置主机信息

  • 假设主机最开始没有 IP 地址以及其它信息，那么就需要先使用 DHCP 来获取。
  • 主机生成一个 DHCP 请求报文，并将这个报文放入具有目的端口 67 和源端口 68 的 UDP 报文段中。
  • 该报文段则被放入在一个具有广播 IP 目的地址(255.255.255.255) 和源 IP 地址（0.0.0.0）的 IP 数据报中。
  • 该数据报则被放置在 MAC 帧中，该帧具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，将广播到与交换机连接的所有设备。
  • 连接在交换机的 DHCP 服务器收到广播帧之后，不断地向上分解得到 IP 数据报、UDP 报文段、DHCP 请求报文，之后生成 DHCP ACK 报文，该报文包含以下信息：IP 地址、DNS 服务器的 IP 地址、默认网关路由器的 IP 地址和子网掩码。该报文被放入 UDP 报文段中，UDP 报文段有被放入 IP 数据报中，最后放入 MAC 帧中。
  • 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。
  • 主机收到该帧后，不断分解得到 DHCP 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。

2. ARP 解析 MAC 地址

  • 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，主机需要知道网站的域名对应的 IP 地址。
  • 主机生成一个 DNS 查询报文，该报文具有 53 号端口，因为 DNS 服务器的端口号是 53。
  • 该 DNS 查询报文被放入目的地址为 DNS 服务器 IP 地址的 IP 数据报中。
  • 该 IP 数据报被放入一个以太网帧中，该帧将发送到网关路由器。
  • DHCP 过程只知道网关路由器的 IP 地址，为了获取网关路由器的 MAC 地址，需要使用 ARP 协议。
  • 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。
  • 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。

3. DNS 解析域名

  • 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。
  • 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 数据报，并根据转发表决定该 IP 数据报应该转发的路由器。
  • 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。
  • 到达 DNS 服务器之后，DNS 服务器抽取出 DNS 查询报文，并在 DNS 数据库中查找待解析的域名。
  • 找到 DNS 记录之后，发送 DNS 回答报文，将该回答报文放入 UDP 报文段中，然后放入 IP 数据报中，通过路由器反向转发回网关路由器，并经过以太网交换机到达主机。

4. HTTP 请求页面

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  • HTTP协议是无状态的。但是一些站点希望识别用户。采用cookie的方法。

    cookie是存储在用户主机上的文本文件，用识别码，记录一段时间内用户的访问记录。提供个性化服务。

  • HTTP采用TCP错位运输层协议，但是HTTP协议本身是无连接的。

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HTTP报文结构
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状态码：3个数字，5种类型，共33种。

  • 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。
  • 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。
  • HTTP 服务器收到该报文段之后，生成 TCP SYN ACK 报文段，发回给主机。
  • 连接建立之后，浏览器生成 HTTP GET 报文，并交付给 HTTP 服务器。
  • 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。
  • 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。

HTTPS过程

  1. 客户端提交https请求
  2. 服务器响应客户，并把证书公钥发给客户端
  3. 客户端验证证书公钥的有效性
  4. 有效后，会生成一个会话密钥
  5. 用证书公钥加密这个会话密钥后，发送给服务器
  6. 服务器收到公钥加密的会话密钥后，用私钥解密，回去会话密钥
  7. 客户端与服务器双方利用这个会话密钥加密要传输的数据进行通信

TSL加密体系

HTTP协议采用明文传输，可能存在信息窃听或身份伪装等安全问题。

TLS的含义。传输层安全性协议（英语：Transport Layer Security，缩写就是TLS）及其前身安全套接层（Secure Sockets Layer，缩写作SSL）是一种安全协议，目的是为互联网通信提供安全及数据完整性保障。

网景公司在1994年推出首版网页浏览器，网景导航者时，推出HTTPS协议，以SSL进行加密，这是SSL的起源。HTTPS协议混合对称密钥加密和非对称加密机制，在保证可认证的前提下，提高加密传输速度。这个密钥是用来将通信两方交换的数据做加密，保证两个应用间通信的保密性和可靠性，使客户与服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，安全性也就大大增强。

我们可以通过密钥进行对数据信息的加密，https混合对称密钥加密和非对称加密机制

  • 对称密钥加密：指传输双方共享相同的秘钥，通用相同的秘钥实现数据的加密和解密过程。

    • 优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。
    • 缺点1：双方必须保存好秘钥。如果一方的秘钥被泄露，那么加密信息也就不安全了。
    • 缺点2：每对用户每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的独一秘钥，这会使得收、发双方所拥有的钥匙数量巨大，密钥管理成为双方的负担。

  • 非对称秘钥加密：公钥和私钥。公钥与私钥是一对，公钥匙可以公开的，私钥需要保密，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。

    • 工作过程：

      1.A要向B发送信息，A和B都要产生一对用于加密非对称加密算法
      和解密的公钥和私钥。
      2.A的私钥保密，A的公钥告诉B；B的私钥保密，B的公钥告诉A。
      3.A要给B发送信息时，A用B的公钥加密信息，因为A知道B的公钥。
      4.A将这个消息发给B（已经用B的公钥加密消息）。
      5.B收到这个消息后，B用自己的私钥解密A的消息。其他所有收到这个报文的人都无法解密，因为只有B才有B的私钥。

    • 非对称体系下可以实现签名认证和加密传输功能，但是非对称秘钥加密代价高，不适合大量数据传输。

  • 签名认证和非对称秘钥加密

    • 发送方用自己的私钥加密得到数字签名，附在信息后面，也就是我们这里产生的密文X。
    • 对于密文X，用接收方的公钥，对要发送的信息进行加密，也就是这里形成的密文Y。
    • 将密文Y通过公网进行传输，传送给我们的接收方
    • 接收方收到传递来的信息之后，先用自己的私钥对得到信息进行解密处理，得到密文X。
    • 私钥处理过后，接下来我们用发送方的公钥进行解密，解密成功也就得到了我们想要传递的信息了。

  • TLS加密体系

    • 通过第三方认证机构（CA）颁发和公开公钥证书。客户端通过CA认证公钥真实性。
    • CA是证书的签发机构, CA是负责签发证书、认证证书、管理已颁发证书的机关。
    • CA 也拥有一个证书（内含公钥）和私钥。网上的公众用户通过验证 CA 的签字从而信任 CA ，任何人都可以得到 CA 的证书（含公钥），用以验证它所签发的证书。
    • CA验证的过程：
      • 如果用户想得到一份属于自己的证书，他应先向 CA 提出申请，发送访问请求
      • 在 CA 判明申请者的身份后，便为他分配一个公钥，并且 CA 将该公钥与申请者的身份信息绑在一起，并为之签字后，便形成证书发给申请者
      • 如果一个用户想鉴别另一个证书的真伪，他就用 CA 的公钥对那个证书上的签字进行验证，一旦验证通过，该证书就被认为是有效的。

ref：牛客

● 请回答一下HTTP和HTTPS的区别，以及HTTPS有什么缺点？

HTTP协议和HTTPS协议区别如下：

1）HTTP协议是以明文的方式在网络中传输数据，而HTTPS协议传输的数据则是经过TLS加密后的，HTTPS具有更高的安全性

2）HTTPS在TCP三次握手阶段之后，还需要进行SSL 的handshake，协商加密使用的对称加密密钥

3）HTTPS协议需要服务端申请证书，浏览器端安装对应的根证书

4）HTTP协议端口是80，HTTPS协议端口是443

HTTPS优点：

  • HTTPS传输数据过程中使用密钥进行加密，所以安全性更高

  • HTTPS协议可以认证用户和服务器，确保数据发送到正确的用户和服务器

HTTPS缺点：

  • HTTPS握手阶段延时较高：由于在进行HTTP会话之前还需要进行SSL握手，因此HTTPS协议握手阶段延时增加

  • HTTPS部署成本高：一方面HTTPS协议需要使用证书来验证自身的安全性，所以需要购买CA证书；另一方面由于采用HTTPS协议需要进行加解密的计算，占用CPU资源较多，需要的服务器配置或数目高

● 请你说一说HTTP返回码

HTTP协议的响应报文由状态行、响应头部和响应包体组成，其响应状态码总体描述如下：

1xx：指示信息–表示请求已接收，继续处理。

2xx：成功–表示请求已被成功接收、理解、接受。

3xx：重定向–要完成请求必须进行更进一步的操作。

4xx：客户端错误–请求有语法错误或请求无法实现。

5xx：服务器端错误–服务器未能实现合法的请求。

常见状态代码、状态描述的详细说明如下。

200 OK：客户端请求成功。

206 partial content服务器已经正确处理部分GET请求，实现断点续传或同时分片下载，该请求必须包含Range请求头来指示客户端期望得到的范围

300 multiple choices（可选重定向）:被请求的资源有一系列可供选择的反馈信息，由浏览器/用户自行选择其中一个。

301 moved permanently（永久重定向）：该资源已被永久移动到新位置，将来任何对该资源的访问都要使用本响应返回的若干个URI之一。

302 move temporarily(临时重定向)：请求的资源现在临时从不同的URI中获得，

304：not modified :如果客户端发送一个待条件的GET请求并且该请求以经被允许，而文档内容未被改变，则返回304,该响应不包含包体（即可直接使用缓存）。

403 Forbidden：服务器收到请求，但是拒绝提供服务。

404 not Found：请求资源不存在，举个例子：输入了错误的URL。

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