应用层协议

在传输层之上，便是应用层。传输层的 UDP 报文和 TCP 报文段的数据部分就是应用层交付的数据。

不同类型的网络应用有不同的通信规则，因此应用层协议是多种多样的，比如 DNS、FTP、Telnet、SMTP、HTTP、RIP、NFS 等协议都是用于解决其各自的一类问题。

本节实验，介绍 DNS、FTP、HTTP 三个常用的应用层协议。

一、DNS

DNS (Domain Name Service 域名服务) 协议基于 UDP，使用端口号 53。

由数字组成的 IP 地址很难记忆，所以我们上网使用网站 IP 地址的别名——域名。实际使用中，域名与 IP 地址是对应的，这种对应关系保存在DNS 服务器之中。

在浏览器中输入一个域名后，会有 DNS 服务器将域名解析为对应的 IP 地址。注意这和网络层的 ARP 协议的不同之处：DNS 提供的是域名与 IP 地址的对应关系，而 ARP 提供的是 IP 地址和 MAC 地址的对应关系。

DNS 服务器

DNS 服务器是个分层次的系统：

• (1)根 DNS 服务器 ：全世界共有 13 台根域名服务器，编号 A 到 M，其中大部分位于美国。
• (2)顶级(TLD)DNS 服务器 ：负责如 com 、org 、edu 等顶级域名和所有国家的顶级域名(如 cn 、uk 、jp )。
• (3)权威 DNS 服务器 ：大型组织、大学、企业的域名解析服务。
• (4)本地 DNS 服务器 ：通常与我们主机最近的 DNS 服务器。

而域名解析的过程，有迭代查询和递归查询两种方式：

host 命令

在 linux 系统中，可以用 host 命令 进行 DNS 查询，查看一个指定域名的 IP，比如要查询实验楼 GIT 服务的 IP 地址：

host mirrors.aliyuncs.com

下图示例查询www.shiyanlou.com的操作，由于实验楼网络限制，只有mirrors.aliyuncs.com域名可以查询。

DNS 报文

主机向 DNS 服务器发出的查询叫做DNS 报文，大致结构：

DNS 问答报文的内容，都是 IP 和域名的对应信息，关于 DNS 首部和内容 各字段这里不做详细介绍。深入了解，可以先 host 一个域名，再使用 tcpdump 抓取报文并解读。

DNS 缓存和 hosts 文件

刚才 DNS 解析查询过程的图中，共发出了 8 份 DNS 报文，这是非常消耗时间的，所以实际应用上使用 DNS 缓存 ：当一个 DNS 服务器接收到一个 DNS 回答后，会将其信息缓存一段时间，当再有一个对相同域名的查询时，便可直接回复。

通过 DNS 缓存，其实很多查询都只需要本地 DNS 服务器便可完成。

有“翻墙”爱好的同学应该知道 hosts 文件，其实 hosts 文件可以看作是一个小型的 DNS 服务器。

使用命令打开 hosts 文件：

sudo gedit /etc/hosts

查看文件内容，可以发现里面全是类似下图中的 IP 和域名对应记录：

在实际上网过程中，域名解析的的优先顺序是：先在 DNS 缓存查询，若没有找到记录，再查询 hosts 文件，若还是没找到记录，再向 DNS 服务器发出 DNS 查询报文。

二、FTP

FTP (File Transfer Protocol 文件传输协议) 基于 TCP，使用端口号 20(数据)和 21(控制)。

它的主要功能是减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性，以达到便捷高效的文件传输效果。

• FTP 只提供文件传输的基本服务，它采用 客户端—服务器 的方式，一个 FTP 服务器可同时为多个客户端提供服务。
• 在进行文件传输时，FTP 的客户端和服务器之间会建立两个 TCP 连接：21 号端口建立控制连接，20 号端口建立数据连接。
• FTP 的传输有两种方式：ASCII 传输模式和二进制数据传输模式。

三、HTTP

HTTP (HyperText Transfer Protocol 超文本传输协议) 基于 TCP，使用端口号 80 或 8080。

每当你在浏览器里输入一个网址或点击一个链接时，浏览器就通过 HTTP 协议将网页信息从服务器提取再显示出来，这是现在使用频率最大的应用层协议。

这个原理很简单：

• 点击一个链接后，浏览器向服务器发起 TCP 连接；
• 连接建立后浏览器发送 HTTP 请求报文，然后服务器回复响应报文；
• 浏览器将收到的响应报文内容显示在网页上；
• 报文收发结束，关闭 TCP 连接。

HTTP 报文会被传输层封装为 TCP 报文段，然后再被 IP 层封装为 IP 数据报。HTTP 报文的结构：

可见报文分为 3 部分：

• (1)开始行：用于区分是请求报文还是响应报文，请求报文中开始行叫做请求行，而响应报文中，开始行叫做状态行。在开始行的三个字段之间都用空格分开，结尾处 CRLF 表示回车和换行。
• (2)首部行：用于说明浏览器、服务器或报文主体的一些信息。
• (3)实体主体：请求报文中通常不用实体主体。

请求报文的方法字段是对所请求对象进行的操作，而响应报文的状态码是一个 3 位数字，分为 5 类 33 种：

• 1xx 表示通知信息，如收到或正在处理。
• 2xx 表示成功接收。
• 3xx 表示重定向。
• 4xx 表示客户的差错，如 404 表示网页未找到。
• 5xx表示服务器的差错，如常见的 502 Bad Gateway。