計算機網絡基礎
協議層及其服務模型
Q：爲什麼要分層？
A：因爲Internet非常複雜。 對於複雜的系統，分層有以下幾點好處：
- 使其結構非常清晰，清楚地知道各層之間的關係；
- 模塊化會使系統的維護、升級更見簡化，改變某一層服務的具體實現對系統其他部分透明（不影響）。
But： 分層也有弊端，因爲每一層可能都要重複較低層的功能。
參考模型
- ISO/OSI七層參考模型：
| 層號 | 層的名稱 |
|---|---|
| 7 | 應用層 |
| 6 | 表示層 |
| 5 | 會話層 |
| 4 | 傳輸層 |
| 3 | 網絡層 |
| 2 | 數據鏈路層 |
| 1 | 物理層 |
- TCP/IP參考模型：
| 層號 | 層的名稱 |
|---|---|
| 5 | 應用層 |
| 4 | 傳輸層 |
| 3 | 網絡層 |
| 2 | 數據鏈路層 |
| 1 | 物理層 |
- 兩種參考模型：ISO/OSI是理論上的標準，TCP/IP是事實上的標準。
網際協議棧
- 應用層：支持網絡應用，報文傳送。
HTTP，FTP，SMTP，STTP - 傳輸層：主機進程間數據段傳送。
TCP，UDP - 網絡層：主機（源目標節點）間分組傳送。
IP協議，路由協議 - 數據鏈路層：相鄰網絡節點間的數據幀傳送。
PPP，Ethernet，…… - 物理層：物理介質上的比特傳送
應用層
網絡應用程序體系結構
1. 客戶機/服務器體系結構
- 服務器主機總是打開
- 服務器具有固定的、衆所周知的IP地址
- 客戶機具有動態的IP地址
- 客戶機之間不能通信
2. P2P體系結構
- 沒有總是打開的服務器
- 任意一對主機之間可以直接通信
- 對等方間歇連接，可以改變IP地址
3. 客戶機/服務器和P2P混合體繫結構
- 文件在對等方之間相互交換、文件搜索通過服務器
- 兩個聊天用戶之間是P2P、註冊和查詢通過服務器
HTTP協議
網頁由許多對象組成，每一個對象都被一個URL（統一資源定位符）尋址：
HTTP： 超文本傳輸協議，Web的應用層協議，採用客戶機/服務器的模式。協議的本質是對信息傳輸內容和順序的約定。HTTP協議就約定了客戶端與服務器之間通信的標準。
HTTP是無狀態協議，服務器不維護客戶先前的狀態信息。也就是說：如果客戶機第一次登錄並且成功後，再第二次登錄，服務器仍然不會知道當前請求的是哪個用戶。
HTTP連接
- 非持久HTTP連接：每個TCP連接只傳送一個對象，下載多個對象需要創建多個TCP連接，HTTP/1.0使用非持久HTTP連接。
- 持久HTTP連接：一個TCP連接可傳送多個對象，HTTP/1.1默認使用持久HTTP連接。
HTTP報文格式
HTTP請求報文：
sp：空格，cr：回車，lf：換行，URI：統一資源標識符
URI與URL的區別： URL是URI的子集，它們都定義了資源是什麼。但有區別：URI可以唯一標識該對象，而URL不僅可以唯一標識該元素，還可以定位到它，所以叫統一資源定位符。舉例：身份證號是URI，身份證地址+姓名是URL。
HTTP請求報文示例：
- HTTP/1.0方法：
GET：從服務器獲取指定數據
POST：向服務器傳送指定數據
HEAD：服務器收到請求時返回響應消息只包含HEAD頭部，不包含請求對象主體 - HTTP/1.1方法：
GET、POST 、HEAD
PUT：文件在實體主體中被上載到URL指定的路徑
DELETE：刪除URL字段指定的文件
GET方法 vs POST方法：
- 本質定義。GET是從服務器獲取數據，POST是把需要處理的數據提交到服務器上。
- 安全性。GET方法將請求的數據加在URL後，用 ? 分隔URL和請求數據，多個參數用 & 連接，地址欄中可見，所以非常不安全；POST方法要傳送的數據在請求包的實體中，地址欄中不可見，比GET更安全。
- 傳輸數據大小。由於GET方法中請求的數據在URL後面，而URL長度是有限制的，不能超過
2KB，因此GET傳輸的數據較少並且有限；但POST對數據大小沒有限制。 - 有害性。瀏覽器後退或者刷新，GET方法不會產生什麼動作，也就是不會修改服務器數據，但POST會重新提交數據給服務器。
HTTP響應報文：
HTTP響應狀態碼：
HTTP響應狀態碼位於HTTP響應報文的第一行，常見的狀態碼有：
- 200 OK 請求成功，響應消息返回所請求的對象
- 204 No Content 請求成功，但是沒有數據。一般用在：只需要返回是否成功的情況。
- 301 Moved Permanently 請求對象已永久遷移，新的URL 在響應首部用字段
Location：指出，瀏覽器接受到帶Location頭的響應時，就會跳轉到相應的地址。 - 302 表示臨時重定向。請求對象暫時遷移，新的URL 在響應首部用字段
Location：指出，瀏覽器接受到帶Location頭的響應時，就會跳轉到相應的地址。 - 400 Bad Request 該請求不能被服務器解讀
- 404 Not Found 服務器上不存在所請求的對象
- 505 HTTP Version Not Supported
HTTP常見首部行：
請求報文：
- Host：請求的目標域名和端口號
- User-agent：向服務器發送瀏覽器的版本、系統、應用程序信息
Cookie：當前域名下的cookie數據- Accept-language：向服務器聲明客戶機接收的語言版本
- Connection：告訴服務器採用什麼連接方式，例如Connection: Close 關閉默認的HTTP持久連接（用於HTTP/1.1）
響應報文：
- Connection
- Date：服務器發送資源時的服務器時間
- Server：HTTP服務器的應用程序信息
Location：重定向，讓客戶端跳轉到新的URL進行訪問Last-Modified：服務器發來的當前資源的最後一次修改時間，如果下一次請求時，服務器上當前資源的修改時間比這個大（更晚），就返回新的資源內容。- Content-Length：消息實體的傳輸長度
- Content-Type：響應體的媒體資源類型（比如html類型，UTF-8編碼等等）
HTTP vs HTTPS
HTTP：是超文本傳輸協議，是以明文方式傳輸數據的，沒有提供任何數據加密，並且不會驗證通信方的身份。
HTTPS：是安全套接字層超文本傳輸協議，是由SSL + HTTP協議構建的可進行加密傳輸、身份認證的網絡協議，比HTTP更加安全。
注意： HTTPS協議並非是應用層的一種新的協議，只是在HTTP通信接口部分用SSL協議代替而已。原本HTTP與TCP之間直接進行通信，但加入SSL後就先是HTTP與SSL進行通信，再是SSL與TCP進行通信。
HTTP與HTTPS的區別：
- HTTPS協議需要到CA（電子認證服務）申請證書。
- HTTP是超文本傳輸協議，HTTPS是更安全的SSL加密傳輸協議。
- 使用完全不同的連接方式，端口也不同，HTTP使用
80端口，而HTTPS使用443端口。 - HTTP連接很簡單，是無狀態的；HTTPS是由
SSL + HTTP構建的可進行加密傳輸、身份認證的更安全的網絡協議。
SSL協議
SSL：位於TCP/IP協議與各種應用層協議之間。
- SSL協議基本內容
- SSL記錄協議：建立在可靠傳輸協議的基礎之上（如TCP），爲高層協議提供數據封裝、壓縮、加密等基本功能。
- SSL握手協議：建立在SSL記錄協議之上，在數據傳輸之前，雙方進行身份驗證、協商加密算法、交換加密密鑰等。
- SSL協議原理
公鑰加密法。客戶端向服務端索要公鑰，收到後用自己的私鑰加密信息，服務端收到密文後用自己的私鑰解密。
注意： 1999年把SSL協議標準化改名爲TLS（傳輸層安全協議），但這兩者其實是同一種協議，只是不同階段的稱呼而已。
Cookie和Session
- cookie：因爲HTTP請求是無狀態的，它不會認識當前的用戶是誰。cookie的出現就爲了解決這個問題。用戶第一次請求服務器時，服務器會返回一些數據（cookie）給瀏覽器，瀏覽器保存到本地，等下一次再請求服務器時就會
自動帶上本地的cookie數據，服務器拿到這個數據就知道該請求用戶是誰了。但是cookie只能存少量數據，不同瀏覽器存儲大小不同，但一般不超過4KB。 - session：session和cookie的作用類似，都是爲了保存用戶相關的信息，但是不同的是：
session是保存在服務器上的，cookie保存在本地瀏覽器。保存在服務器上的session數據不容易被竊取，更加安全，但弊端是佔用了服務器的資源。
DNS：域名系統
I. DNS是什麼？
DNS，全稱爲Domain Name System，域名系統。是因特網的目錄服務，主機、路由器有多種標識符，包括主機名和IP地址。主機名是爲了方便人類記憶創建的，是拿給人看的，而IP地址纔是用於分組尋址的 ，因爲它是固定的長度：
32bit，更加規範、路由器更加容易接受。所以我們需要一個轉換器，來將主機名轉換成IP地址。這時候DNS的作用就出現了，當然，DNS不僅只有這個功能。
- 從實體上來看：是一種由分層DNS服務器實現的分佈式數據庫
- 從協議上來看：是一種實現域名轉換的應用層協議
II. DNS提供什麼功能？
- 提供主機名到IP地址映射的查詢服務 （核心功能）
- 提供主機別名服務。 一個複雜的主機可能有一個
規範主機名和多個主機別名，主機別名比規範主機名更容易記憶。DNS提供根據主機別名查找規範主機名的服務。 - 郵件服務器別名
- 負載分配。 對於被頻繁訪問的大型站點來說，它可能有多臺服務器，那這時主機與IP地址就不再是一一對應了，而是
一個主機名對應多個IP地址。在大量的、連續多次訪問中，DNS通過旋轉IP地址來實現負載均衡。當客戶機進行DNS請求時，DNS服務器便會把全部的IP地址放在響應報文中進行應答，但在不同的回答中它會旋轉這些IP地址的順序，客戶機總會向排在最前面的IP地址發出請求。
III. DNS服務器：
- 根DNS服務器： 因特網上有13個根DNS服務器，其中大部分分佈在美洲。
- 頂級DNS服務器： 負責頂級域名
edu, gov, org, com等和所有國家的頂級域名uk, fr, cn, jp（edu教育機構域名，gov政府部門域名，org非盈利性的組織，com企業域名，uk英國，fr法國，cn中國，jp日本） - 權威DNS服務器： 在因特網上具有公共可訪問主機（如Web服務器和郵件服務器）的每個組織機構必須提供公共可訪問的DNS記錄，這些記錄將這些主機的名字映射爲IP地址。組織機構的權威DNS服務器負責保存這些DNS記錄。多數大學和公司維護它們的基本權威DNS服務器。
- 本地DNS服務器：
嚴格來說並不屬於DNS服務器的層次結構，它起到一個代理的作用，將主機提交的請求轉發到層次結構中。
IV. DNS如何工作的？
DNS有兩種查詢方式：遞歸查詢和迭代查詢，從主機到本地DNS服務器是遞歸查詢，本地DNS服務器向另外三個服務器的查詢是迭代查詢。
我們以該圖爲例，來描述DNS的查詢過程，一共8條路徑（8份報文）：
（主機cis.poly.edu想要查詢主機gaia.cs.umsaa.edu的IP地址）
- 主機
cis.poly.edu向本地DNS服務器發送查詢報文 - 本地DNS服務器收到後向根DNS服務器
轉發查詢報文 - 根DNS服務器注意到
edu域名，返回負責edu的頂級DNS服務器的IP地址 - 本地DNS服務器根據收到的IP地址查詢頂級DNS服務器
- 頂級DNS服務器注意到
umass.edu域名，返回負責umass.edu的權威DNS服務器的IP地址。該權威DNS服務器是負責馬薩諸塞大學的dns.cs.umass.edu - 本地DNS服務器根據收到的IP地址查詢權威DNS服務器dns.cs.umass.edu
- 權威DNS服務器dns.cs.umass.edu將使用
gaia.cs.umass.edu的IP地址作爲響應，返回給本地DNS服務器 - 本地DNS服務器將 包含所查詢IP地址的報文 返回給主機
cis.poly.edu
由此可見， 在迭代查詢過程中，被查詢的名字服務器回覆可以被查詢的名字服務器的IP地址。也就是說，它總是在告訴本地DNS服務器：“我不知道它的名字，但是你可以問服務器xxx”。
（待更新……）