应用层（application layer）协议概述

HTTP协议

概述

TCP协议实现了数据流的可靠传输。然而，人们更加习惯以文件为单位传输资源，比如文本文件，图像文件，超文本文档(hypertext document)。

超文本文档中包含有超链接，指向其他的资源。超文本文档是万维网(World Wide Web，即www)的基础。HTTP协议解决文件传输的问题。HTTP是应用层协议，主要建立在TCP协议之上(偶尔也可以UDP为底层)。它随着万维网的发展而流行。HTTP协议目的是，如何在万维网的网络环境下，更好的利用TCP协议，以实现文件，特别是超文本文件的传输。

早期的HTTP协议主要传输静态文件，即真实存储在服务器上的文件。随着万维网的发展，HTTP协议被用于传输“动态文件”，服务器上的程序根据HTTP请求即时生成的动态文件。我们将HTTP的传输对象统称为资源(resource)。

HTTP实现了资源的订购和传送。其工作方式类似于快餐点单。

• 1：请求(request): 顾客向服务员提出请求：“来个鸡腿汉堡”。
• 2：回复(response):服务员根据情况，回应顾客的请求
  根据情况的不同，服务员的回应可能有很多，比如:
• 服务员准备鸡腿汉堡，将鸡腿汉堡交给顾客。（一切OK）
• 服务员发现自己只是个甜品站。他让顾客前往正式柜台点单。（重新定向）
• 服务员告诉顾客鸡腿汉堡没有了。(无法找到)
• 交易结束后，服务员就将刚才的交易抛到脑后，准备服务下一位顾客。

格式

HTTP协议的通信是一次request-responce交流。客户端(guest)向服务器发出请求(request)，服务器(server)回复(response)客户端。

HTTP协议规定了请求和回复的格式:

• 起始行 (start line)
• 头信息 (headers)
• 主体(entity body)

起始行只有一行。它包含了请求/回复最重要的信息。请求的起始行表示(顾客)“想要什么”。回复的起始行表示(后厨)“发生什么”。

头信息可以有多行。每一行是一对键值对(key-value pair)，比如:Content-type: text/plain
它表示，包含有一个名为Content-type的参数，该参数的值为text/plain。头信息是对起始行的补充。请求的头信息对服务器有指导意义 (好像在菜单上注明: 鸡腿不要辣)。回复的头信息则是提示客户端（比如，在盒子上注明: 小心烫）

主体部分包含了具体的资源。上图的请求中并没有主体，因为我们只是在下单，而不用管后厨送什么东西 (请求是可以有主体内容的)。回复中包含的主体是一段文本文字(Hello World!)。这段文本文字正是顾客所期待的，鸡腿汉堡。

请求

先来看一下请求：

GET /index.html HTTP/1.1
Host: www.example.com

在起始行中，有三段信息:

• GET ：用于说明想要服务器执行的操作，此外还有PUT、POST等操作
• /index.html ：资源的路径。这里指向服务器上的index.html文件。
• HTTP/1.1： 协议的版本。HTTP第一个广泛使用的版本是1.0，当前版本为1.1。

早期的HTTP协议只有GET方法。遵从HTTP协议，服务器接收到GET请求后，会将特定资源传送给客户。这类似于客户点单，并获得汉堡的过程。使用GET方法时，是客户向服务器索取资源，所以请求往往没有主体部分。

GET方法也可以用于传输一些不重要的数据。它是通过改写URL的方式实现的。GET的数据利用URL?变量名＝变量值的方法传输。比如向http://127.0.0.1发送一个变量“q”，它的值为“a”。那么，实际的URL为http://127.0.0.1?q=a。服务器收到请求后，就可以知道”q”的值为”a”。

GET方法之外，最常用的是POST方法。它用于从客户端向服务器提交数据。使用POST方法时，URL不再被改写。数据位于http请求的主体。POST方法最用于提交HTML的form数据。服务器往往会对POST方法提交的数据进行一定的处理，比如存入服务器数据库。

样例请求中有一行头信息。该头信息的名字是Host。HTTP的请求必须有Host头信息，用于说明服务器的地址和端口。HTTP协议的默认端口是80，如果在HOST中没有说明端口，那么将默认采取该端口。在该例子中，服务器的域名为www.example.com，端口为80。域名将通过DNS服务器转换为IP地址，从而确定服务器在互联网上的地址。

回复

服务器在接收到请求之后，会根据程序，生成对应于该请求的回复，比如:

HTTP/1.1 200 OK
Content-type: text/plain
Content-length: 12

Hello World!

回复的起始行同样包含三段信息

• HTTP/1.1 协议版本
• 200 状态码(status code)
• OK 状态描述

OK是对状态码200的文字描述，它只是为了便于人类的阅读。电脑只关心三位的状态码(status code)，即这里的200。200表示一切OK，资源正常返回。状态码代表了服务器回应动作的类型。
其它常见的状态码还有:

• 302，重定向(redirect): 我这里没有你想要的资源，但我知道另一个地方xxx有，你可以去那里找。
• 404，无法找到(not found): 我找不到你想要的资源，无能为力。

Content-type说明了主体所包含的资源的类型。根据类型的不同，客户端可以启动不同的处理程序(比如显示图像文件，播放声音文件等等)。下面是一些常见的资源：

• text/plain 普通文本
• text/html HTML文本
• image/jpeg jpeg图片
• image/gif gif图片

Content-length说明了主体部分的长度，以字节(byte)为单位。
回应的主体部分为一段普通文本，即Hello World!

无状态

根据早期的HTTP协议，每次request-reponse时，都要重新建立TCP连接。TCP连接每次都重新建立，所以服务器无法知道上次请求和本次请求是否来自于同一个客户端。因此，HTTP通信是无状态(stateless)的。服务器认为每次请求都是一个全新的请求，无论该请求是否来自同一地址。

随着HTTP协议的发展，HTTP协议允许TCP连接复用，以节省建立连接所耗费的时间。但HTTP协议依然保持无状态的特性。

DNS协议

概述

域名(domain name)是IP地址的代号。域名通常是由字符构成的，比如www.yahoo.com，要比纯粹数字构成的IP地址(106.10.170.118)容易记忆。

域名解析系统(DNS, domain name system)就负责将域名翻译为对应的IP地址。在DNS的帮助下，我们可以在浏览器的地址栏输入域名，而不是IP地址。这大大减轻了用户的记忆负担。此外，出于维护和运营的原因，一些网站可能会变更IP地址。这些网站可以更改DNS中的对应关系，从而保持域名不变，而IP地址更新。由于大部分用户记录的都是域名，这样就可以降低IP变更带来的影响。

从机器和技术的角度上来说，域名并不是必须的。但Internet是由机器和用户共同构成的。鉴于DNS对用户的巨大帮助，DNS已经被当作TCP/IP套装不可或缺的一个组成部分。

DNS服务器

域名和IP地址的对应关系存储在DNS服务器中。所谓的DNS服务器，是指在网络中进行域名解析的一些服务器(计算机)。这些服务器都有自己的IP地址，并使用DNS协议(DNS protocol)进行通信。DNS协议主要基于UDP，是应用层协议。

DNS服务器构成一个分级(hierarchical)的树状体系。上图中，每个节点(node)为一个DNS服务器，每个节点都有自己的IP地址。树的顶端为用户电脑出口处的DNS服务器。在Linux下，可以使用cat /etc/resolv.conf，来查询出口DNS服务器。树的末端是真正的域名/IP对应关系记录。一次DNS查询就是从树的顶端节点出发，最终找到相应末端记录的过程。

中间节点根据域名的构成，将DNS查询引导向下一级的服务器。比如说一个域名cs.berkeley.edu，DNS解析会将域名分割为cs, berkeley, edu，然后按照相反的顺序查询(edu, berkeley, cs)。出口DNS首先根据edu，将查询指向下一层的edu节点。然后edu节点根据berkeley，将查询指向下一层的berkeley节点。这台berkeley服务器上存储有cs.berkeley.edu的IP地址。所以，中间节点不断重新定向，并将我们引导到正确的记录。

在整个DNS查询过程中，无论是重新定向还是最终取得对应关系，都是用户计算机和DNS服务器使用DNS协议通信。用户计算机根据DNS服务器的反馈，依次与下一层的DNS服务器建立通信。用户计算机经过递归查询，最终和末端节点通信，并获得IP地址。

缓存

用户计算机的操作系统中的域名解析模块(DNS Resolver)负责域名解析的相关工作。任何一个应用程序(邮件，浏览器)都可以通过调用该模块来进行域名解析。

并不是每次域名解析都要完整的经历解析过程。DNS Resolver通常有DNS缓存(cache)，用来记录最近使用和查询的域名/IP关系。在进行DNS查询之前，计算机会先查询cache中是否有相关记录。这样，重复使用的域名就不用总要经过整个递归查询过程。

反向DNS

上面的DNS查询均为正向DNS查询：已经知道域名，想要查询对应IP。而反向DNS(reverse DNS)是已经知道IP的前提下，想要查询域名。反向DNS也是采用分层查询方式，对于一个IP地址(比如106.10.170.118)，依次查询in-addr.arpa节点(如果是IPv6，则为ip6.arpa节点)，106节点，10节点，170节点，并在该节点获得106.10.170.118对应的域名。