計算機網路應用層：HTTP和電子郵件

計算機網路應用層

應用層所討論的物件可以簡單理解為端系統上的網路應用程式，
因特網網路體系結構分為5層：應用層、傳輸層、網路層、鏈路層、物理層，應用程式體系結構由應用程式研發者設計，規定了如何在端系統上組織該應用程式，主流的體系結構有兩種：客戶-服務器體系結構和對等P2P體系結構，
客戶-服務器體系結構：
在此體系結構里，有一個總是打開的主機稱為服務器，它服務于其他稱為客戶的主機的請求，而一臺單獨的服務器可能沒法承受來自太多客戶的請求，所以采用配備了大量主機的資料中心（data center）提供虛擬服務器，
對等P2P體系結構：
對位于資料中心的專用服務器有幾乎沒有依賴，應用程式在間斷連接的主機之間直接通信，這些主機對稱為對等方，該體系結構的特性之一是自擴展性（self-scalability），例如檔案共享：BitTorrent，

行程通信：

在端系統中的每一個應用程式可以抽象為一個行程，不同端系統上的行程，通過跨越計算機網路交換報文（message），
套接字：

每一個行程通過套接字（socket）與計算機網路互動，套接字是行程與計算機網路之間的介面，行程通過套接字軟體介面向計算機網路發送報文，也就是同一臺主機中應用層和傳輸層的介面，由于套接字是建立網路應用程式的可編程介面，因此套接字也稱為應用程式和網路之間的應用程式編程介面（Application Programming Interface， API），
行程尋址：

1.主機地址（IP）；2.行程標識（port）

可供應用程式使用的傳輸服務分類：可靠資料傳輸、吞吐量、定時和安全性，也即是應用層程式對下一層服務的希望，而因特網能提供的傳輸層服務協議有兩類：TCP和UDP，

TCP提供面向連接和可靠資料傳輸服務：

• 面向連接服務是指在應用層資料報文開始傳輸之前，TCP讓客戶和服務器互相交換傳輸層控制資訊，即是所謂的握手程序，握手之后，一個TCP連接就在兩個行程的套接字之間建立了，該連接是全雙工的，即連接雙方都可以在此連接上同時收發報文，當結束報文發送時，需要拆除連接，
• 可靠的資料傳輸服務：行程能夠依賴TCP，無差錯、按適當的順序交付所有發送的資料，沒有位元組的丟失和冗余，

除此以外TCP協議還提供擁塞控制機制，當發送方和接收方之間的網路出現擁塞時，TCP的擁塞控制機制會抑制發送行程（擁塞視窗），

TCP和UDP都沒有提供任何加密機制，所以當前一般采用升級版TCP，稱為安全套接字層（Secure Socket Layer，SSL），升級后的TCP額外提供關鍵的行程到行程的安全性服務，包括加密、資料完整性和端點鑒別，SSL不是獨立于TCP和UDP的第三個協議，而是TCP的改進版，是在應用層上實作的，如果一個應用程式想要使用SSL服務，需要在程式的客戶端和服務器段包含SSL的代碼，

UDP服務：

UDP服務時不提供不必要服務的輕量型傳輸層服務，UDP提供無連接和不可靠的資料傳輸服務，更加沒有擁塞控制機制，

應用層協議：

應用層協議（application-layer protocol）定義了在不同端系統上的應用程式行程如何相互傳遞報文：

• 交換的報文型別
• 各種報文型別的語法
• 欄位的語意
• 確定一個行程何時以及如何發送報文，對報文回應的規則

Web的應用層協議是HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本傳輸協議），定義了瀏覽器和Web服務器之間傳輸報文的格式和序列；電子郵件的注意應用層協議時SMTP（簡單郵件傳輸協議），

HTTP協議：

HTTP由兩個程式實作，一個客戶程式一個服務器程式，HTTP使用TCP作為它的傳輸層協議，HTTP客戶首先發起一個與服務器的TCP連接，一旦連接建立，瀏覽器和服務器行程就可以通過套接字介面訪問TCP了，在HTTP協議下，服務器向客戶發送被請求檔案，卻不存盤任何關于客戶的狀態資訊，所以說HTTP時一個無狀態協議（stateless protocol），

當每個請求/回應對是經一個單獨的TCP連接發送時，該應用程式被稱為使用非持續連接（non-persistent connection）；當所有的請求和回應經由相同的TCP連接發送時，稱為使用持續連接（persistent connection），默認使用持續連接，

• 非持續連接的缺點：必須為每一個請求物件建立和維護一個全新的TCP連接，需要分配TCP緩沖區和保持TCP變數，降低服務器性能；增加物件交付時延，
• 持續連接：同一臺服務器的多個物件發送給客戶時，可以在單個連接上處理，物件可以接連發送，不必等待未完成的請求的回答，如果一個連接經過一定時間未被使用，HTTP服務器將關閉連接，HTTP的默認模式是時延帶流水線的持續連接，

HTTP報文：

請求報文：

GET /somedir/page.html HTTP/1.1
Host: www.someschool.edu
Connection: close
User-agent: Mozilla/5.0
Accept-language: fr

第一行稱為請求行，后面稱為首部行，請求行有三個欄位：方法欄位、URL欄位和HTTP版本欄位；首部行有多個取值，
請求報文的通用格式：

在首部行后面是物體體（entity body），使用GET請求，物體體為空，使用POST請求時才使用該物體體，例如提交表單，

回應報文：

HTTP/1.1 200 OK
Connection: close
Date: Tue, 18 Aug 2015 15:44:04 GMT
Server: Apache/2.2.3 (CentOS)
Last-Modified: Tue, 18 Aug 2015 15:11:03 GMT
Content-Length: 6821
Content-Type: text/html
(data data data data data ...)

第一行稱為狀態行（status line），后面是首部行（header line），最后是物體體，物體體是報文的主要內容，即是請求物件本身，狀態行有三個欄位：協議版本欄位、狀態碼和相應狀態資訊，首部行中的Last-Modified欄位在使用快取服務器（代理服務器）時會用到，
回應報文的通用格式：

狀態碼和相應的狀態短語：

• 200 OK：請求成功，并在回應中回傳資訊，
• 301 Moved Permanently：請求的物件已被永久移動； 新 URL 在 Location: 回應訊息的標頭中指定， 客戶端軟體將自動檢索新 URL，
• 400 Bad Request：這是一個通用錯誤代碼，表示服務器無法理解該請求，
• 404 Not Found：請求的檔案在此服務器上不存在，
• 505 HTTP Version Not Supported：服務器不支持請求的 HTTP 協議版本，

cookie

用戶與服務器互動：cookie
HTTP服務器是無狀態的，所以HTTP服務器使用cookie來識別來訪用戶，如圖cookie技術有4個組件：

• 在HTTP回應報文中的一個cookie首部行
• 在HTTP請求報文中的一個cookie首部行
• 在用戶端系統中的一個cookie檔案，由用戶瀏覽器管理
• 位于Web站點的后端資料庫

cookie的使用程序如圖所示，因此cookie可以在無狀態的HTTP之上建立一個用戶會話層，

Web快取：

也叫代理服務器，能夠代表初始Web服務器來服務HTTP請求的網路物體，Web快取有自己的磁盤存盤空間，并在存盤空間中存盤最近請求過的物件的副本，具體說來，步驟如下：

• 瀏覽器創建一個到Web快取的TCP連接，并向Web快取中的物件發送一個HTTP請求；
• Web快取檢查是否有該物件副本，如果有，就直接向客戶瀏覽器用HTTP回應報文回傳該物件；
• 如果Web快取中沒有物件副本，Web快取就打開一個與該物件的初始服務器的TCP連接，Web快取在當前的快取服務器和服務器的TCP連接上發送一個對該物件的HTTP請求，收到該請求后，初始服務器向Web快取發送具有該物件的HTTP回應；
• Web快取收到該物件時，在本地存盤空間存盤一份副本，并向用戶的瀏覽器用HTTP回應報文發送該副本；

條件GET方法

Web快取的物件可能是舊的，HTTP協議的條件GET（conditional GET）方法，允許快取更新自己的物件副本，使用方法是：

1. 請求報文使用GET方法；
2. 請求報文包含一個“If-Modified-Since:”首部行；

該HTTP請求報文就是一個條件GET請求報文，
舉例：

GET /fruit/kiwi.gif HTTP/1.1
Host: www.exotiquecuisine.com
If-modified-since: Wed, 9 Sep 2015 09:23:24

如果初始服務器中的物件在日期后修改過，才會發送該物件，

電子郵件：

電子郵件系統的主要組成部分：用戶代理（user agent）、郵件服務器（mail server）、簡單郵件傳輸協議（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP），
郵件服務器形成了電子郵件系統結構的核心，每個接收方在一個郵件服務器上有一個郵箱（mailbox），郵箱管理和維護者發送給接收方的報文，一個典型的郵件發送程序是：從發送方的用戶代理開始，用戶代理傳輸郵件到發送方的郵件服務器，發送方的郵件服務器再傳輸到接收方的郵件服務器，然后在這里被分發給接收方的郵箱中，如果發送方的郵件服務器不能將郵件交付給接收方的郵件服務器，發送方在一個報文佇列（message queue）中保持該報文并在以后再發送，

SMTP

SMTP程序如圖：

SMTP一般不使用中間郵件服務器，而是直接連接接收方的郵件服務器，使用TCP提供的可靠資料傳輸將郵件無差錯的投遞到接收方郵件服務器，

舉例一個SMTP客戶和服務器之間交換報文的例子：

S:  220 hamburger.edu
C:  HELO crepes.fr
S:  250 Hello crepes.fr, pleased to meet you
C:  MAIL FROM: <alice@crepes.fr>
S:  250 [email protected] ... Sender ok
C:  RCPT TO: <bob@hamburger.edu>
S:  250 [email protected] ... Recipient ok
C:  DATA
S:  354 Enter mail, end with ”.” on a line by itself
C:  Do you like ketchup?
C:  How about pickles?
C:  .
S:  250 Message accepted for delivery
C:  QUIT
S:  221 hamburger.edu closing connection

SMTP與HTTP對比：

檔案傳送時，兩者都使用持續連接，

區別：

1. HTTP是一個拉協議（pull protocol），用戶使用HTTP從服務器拉取資訊，TCP連接是由接收檔案的主機發起的；
2. SMTP基本上是一個推協議（push protocol），即發送郵件服務器將檔案推向接收郵件服務器，TCP連接是由要發送該檔案的主機發起的；
3. SMTP要求每個報文，包括體，采用7位元ASCII碼格式；
4. 處理既包含文本又包含影像的檔案，HTTP把每個物件封裝到各自的HTTP回應報文里，SMTP將所有報文物件封裝到一個報文中，

郵件報文格式：

上面交換報文的例子中的命令是SMTP握手協議的一部分，這里的則是郵件報文自身的一部分，

From: [email protected]
To: [email protected]
Subject: Searching for the meaning of life.

報文首部之后，接著一個空白行，然后是以ACSII格式表示的報文文體，

郵件訪問協議：

接收方的用戶代理不能使用SMTP獲取報文，因為取報文是一個拉操作，而SMTP是一個推協議，引入特殊的郵件訪問協議：第三版的郵局協議（Post Office Protocol-Version 3，POP3）、因特網郵件訪問協議（Internet Mail Access Protocol，IMAP）以及HTTP，
POP3
POP3是一個極為簡單的郵件訪問協議，隨著TCP連接建立，POP3分階段作業：特許（authorization）、事務處理和更新，

1. 在特許階段，用戶代理發送用戶名和口令鑒別用戶；
2. 事務處理階段，用戶代理取回報文，同時可以對報文做洗掉操作、獲取郵件的統計資訊；
3. 更新階段，出現在用戶發送quit命令之后，目的是結束該POP3會話，此時，郵件服務器洗掉那些標記為洗掉的郵件，

在事務處理階段，使用POP3的用戶代理可以被配置為“下載并洗掉”或“下載并保留”方式，區別是郵件服務器是否洗掉原始郵件報文，

IMAP
POP3沒有給用戶提供任何創建遠程檔案夾并為報文指派檔案夾的方法，IMAP服務器把每個報文與一個檔案夾聯系起來：當報文第一次到達郵件服務器時，與接收方的INBOX檔案夾相連，用戶可以隨意移動該報文到其他檔案夾，與POP3不同，IMAP服務器維護了IMAP會話的用戶狀態資訊，

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