【计网 I】应用层功能与常见协议
前言
学习完下层服务后，终于来到了模型中最上层——应用层。应用层是最接近用户/终端系统的一层，它决定了系统之间的通信是否有足够的资源。
应用层功能
应用层的通信分为：客户端/服务端模型(client/server model)和对等通信模型(peer-to-peer model)。
客户端/服务端模型中，请求信息的设备称为客户端，响应请求的设备称为服务端。服务端通常在后台运行服务或进程，不受终端用户的直接控制。客户端通过向服务端请求数据开始交换。每当服务器收到请求时，就会按照其协议的要求，以适当的格式与客户端交换适当的信息。
绝大部分的协议都是基于客户端/服务端模型的。
而在对等通信模型中，任何一台设备既可以作为客户端又可以作为服务端。在对等网络中，每个客户端都是服务端，每个服务端都是客户端。两者都可以发起通信，并在通信过程中被视为平等。
例如比较常见的P2P下载，点对点电话等就是使用对等通信模型。
用户层协议
用户层协议有很多，例如：
- 域名系统 (DNS，Domain Name System)
- 超文本传输协议 (HTTP，Hypertext Transfer Protocol)
- 文件传输协议 (FTP，File Transfer Protocol)
- 简单文件传输协议 (TFTP，Trivial File Transfer Protocol)
- Telnet/SSH
- 简单邮件传输协议 (SMTP，Simple Mail Transfer Protocol)
- 邮局协议 (POP3，Post Office Protocol, version 3)
- 简单网络管理协议 (SNMP，Simple Network Management Protocol)
DNS
域名系统（DNS）是一个从域名解析为IP地址的系统。域名是一组字母和数字组成的名称用于代替IP地址，让人更容易记住。
顶级域名（Top-level Domain）是最高级域名，位于域名的最右端。可以根据国别/地区等，分成很多种顶级域名：
在顶级域名左侧存在名称的，称为N级域名。在域名中有N-1个点.，这个域名就是N级域名。例如：
hoyue.fun => .fun为顶级域名，hoyue.fun为二级域名
www.lib.hoyue.fun => 四级域名
DNS使用分层结构，一级一级地存储域名-IP的映射关系。如图：
在层次结构的顶层，根服务器(Root DNS servers)保存着如何到达顶级域服务器的记录。
例如www.lib.hoyue.fun的DNS信息查询，先从本地DNS服务器，向上级DNS服务器请求地址，直到找到解析记录或到达根服务器。根服务器找到顶级域名DNS服务器.fun，再找到二级域名DNS服务器hoyue.fun，再找到三级域名DNS服务器lib.hoyue.fun，最后在这个服务器上找到了www.lib.hoyue.fun的记录。
如果当前DNS服务器是负责最终解析域名的服务器，而不是需要去询问其他服务器得到的，则称为权威服务器。否则为非权威服务器。我们可以在自己电脑中输入nslookup命令，查询一些DNS信息可以看到。
例如查询huawei.com，它不是在我们的DNS服务器上解析的，所以当前为非权威服务器。
DNS服务器通过不同的记录来解析不同的资源类型。DNS有如下常见的记录：
- A 记录 - 保存域的 IP 地址的记录。
- AAAA 记录 - 包含域的 IPv6 地址的记录。
- CNAME 记录 - 将一个域或子域转发到另一个域，即将改域作为另一个域的别名。
- MX 记录 - 将邮件定向到电子邮件服务器。
- NS 记录 - 指向存储 DNS 条目的名称服务器。
我们主要来看看A记录和NS记录的区别。
A记录指向的是一个指定的主机，表示这个域指向这个主机。而NS记录指向的是一个DNS服务器，这个服务器里包含了这个子域的所有解析。
举个例子，在hoyue.fun的解析中，设置了一个A记录将www指向1.1.1.1，说明www.hoyue.fun指向了主机1.1.1.1。再设置了一个NS记录将lib指向2.2.2.2，说明lib.hoyue.fun的所有DNS解析都存在DNS服务器2.2.2.2中，接下来的解析交给这个服务器。在DNS服务器中，还可以设置www.lib.hoyue.fun，admin.lib.hoyue.fun等指向不同的主机。
总的来说：A记录指向主机后，该域不能再拓展。NS记录指向主机后，域名还可以继续拓展。
HTTP
超文本传输协议（HTTP）用于传输动态/静态的网页信息。常见的Web服务器有：Apache、IIS、Nginx等。而客户端一般使用浏览器进行渲染。
HTTP使用统一资源定位符(URL)去告诉浏览器所访问的资源。它遵循如下格式：
FTP/TFTP
文件传输协议（FTP）是一种可靠的、面向连接的服务。客户端在TCP端口21上建立到服务器的连接，用于控制流量，包括客户端命令和服务器应答。客户端还通过TCP端口20建立到服务器的第二个连接，用于实际的文件传输，并且在每次传输文件时创建。
简单文件传输协议（TFTP）是一种使用UDP的不可靠的无连接服务。用于小型文件的快速传输与下载。
Telnet/SSH
Telnet和SSH提供登录到远程Internet主机的能力，可以通过远程连接主机并进行远程操作。
SMTP/POP3
SMTP协议用于发送邮件，POP3协议用于接收邮件。在邮件通信中，我们将发送邮件的客户端称为邮件用户代理(MUA, Mail User Agent)，中转服务器或转发邮件的服务器为邮件传输代理(MTA, Mail Transfer Agent)，最后抵达的收件人所在的服务器称为邮件传递代理(MDA, Mail Delivery Agent)。
下面是一个简单邮件传输的例子，现在client需要发送一个邮件到位于account server里的账号上：
下面是传输过程：
- 先传输到当前账号的邮箱服务器上，通过SMTP协议。
- 邮箱服务器向DNS服务器查询目的地址。
- DNS服务器查询地址。
- 目标DNS返回。
- 返回目标地址。
- 发送到目标地址的邮箱服务器。
- 邮箱服务器转发到目的地址上。
后记
本文介绍了应用层的功能，以及用户层协议的一些常见协议。其中，域名系统（DNS）是一个从域名解析为IP地址的系统。HTTP用于传输动态/静态的网页信息。文件传输协议（FTP）是一种可靠的、面向连接的服务。Telnet和SSH提供登录到远程Internet主机的能力，可以通过远程连接主机并进行远程操作。SMTP协议用于发送邮件，POP3协议用于接收邮件。