《网络协议》04. 应用层（DNS DHCP HTTP）

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title: 《网络协议》04. 应用层（DNS & DHCP & HTTP）
date: 2022-09-05 14:28:22
updated: 2023-11-12 06:55:52
categories: 学习记录：网络协议
excerpt: 应用层、DNS、DHCP、HTTP（URI & URL，ABNF，报文格式，请求方法，状态码，头部字段，Form 提交，同源策略）。
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网络协议从入门到底层原理。

1：网络互连模型

为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型：OSI 参考模型（Open System Interconnect Reference Model）。

• 国际标准：OSI 参考模型（7层）
• 实际应用：TCP/IP 协议（4层）
• 学习研究：（5层）

1.1：请求过程

1.2：网络分层

2：应用层

应用层常见的协议有：

• 超文本传输：HTTP、HTTPS
• 文件传输：FTP
• 电子邮件：SMTP、POP3、IMAP
• 动态主机配置：DHCP
• 域名系统：DNS

3：DNS

DNS，Domain Name System，域名系统。

• 利用 DNS 协议，可以将域名解析成对应的 IP 地址
• DNS 可以基于 UDP 协议，也可以基于 TCP 协议，服务占用 53 端口

3.1：域名

由于 IP 地址不方便记忆，并且不能表达组织的名称和性质，人们设计出了域名（Domain Name）（比如 baidu.com）。

但实际上，为了能够访问到具体的主机，最终还是得知道目标主机的 IP 地址。

域名申请注册：https://wanwang.aliyun.com/

为什么不直接全程用域名，不用 IP 地址？
IP 地址固定 4 个字节，域名随随便便都至少 10 几个字节，这无疑会增加路由器的负担，浪费流量。

根据级别不同，域名可以分为：

• 顶级域名（Top-Level Domain，TLD）
• 二级域名
• 三级域名
• …

通用顶级域名（General Top-level Domain，gTLD）：

.com（公司）
.net（网络机构）
.org（组织机构）
.edu（教育）
.gov（政府部门）
.int（国际组织）
......

国家及地区顶级域名（Country Code Top-level Domain，ccTLD）

.cn（中国）
.jp（日本）
.uk（英国）
......

新通用顶级域名（New Generic Top-level Domain，New gTLD）

.vip
.xyz
.top
.club
.shop
......

二级域名是指顶级域名之下的域名。

在通用顶级域名下，它一般指域名注册人的名称。例如 google、baidu、microsoft 等（例：google.com、baidu.com、microsoft.com）

在国家及地区顶级域名下，它一般指注册类别。例如 com、edu、gov、net 等（例：china.com.cn）

3.2：DNS 服务器

• 客户端首先会访问最近的一台 DNS 服务器（也就是客户端自己配置的 DNS 服务器）
• 所有的 DNS 服务器都记录了 DNS 根域名服务器的 IP 地址
• 上级 DNS 服务器记录了下一级 DNS 服务器的 IP 地址

全球一共 13 台 IPv4 的 DNS 根域名服务器、25 台 IPv6 的 DNS 根域名服务器

3.3：相关命令

Windows 下与 DNS 相关的命令。

查看 DNS 缓存记录：
ipconfig /displaydns

清空 DNS 缓存记录：
ipconfig /flushdns

解析 DNS：
nslookup <域名>

ping 会自动解析 DNS：
ping <域名>

4：DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），动态主机配置协议。

DHCP 协议基于 UDP 协议，客户端使用 68 端口，服务器使用 67 端口（双方端口都固定）。

DHCP 服务器会从 IP 地址池中，挑选一个 IP 地址 “ 出租 “ 给客户端一段时间，时间到期就回收。

平时家里上网的路由器就可以充当 DHCP 服务器。

4.1：IP 地址分配

IP 地址按照分配方式可以分为：静态 IP 地址、动态 IP 地址。

静态 IP 地址：

• 手动设置
• 适用场景：服务器、不怎么挪动的台式机等

动态 IP 地址：

• 从 DHCP 服务器自动获取 IP 地址
• 适用场景：移动设备、无线设备等

分配 IP 的四个阶段：

1. DISCOVER：发现服务器
   • 发广播包（源 IP 是 0.0.0.0，目标 IP 是 255.255.255.255，目标 MAC 是 FF:FF:FF:FF:FF:FF）
2. OFFER：提供租约
   • 服务器返回可以租用的 IP 地址，以及租用期限、子网掩码、网关、DNS 等信息
   • 注意：这里可能会有多个服务器提供租约
3. REQUEST：选择 IP 地址
   • 客户端选择一个 OFFER，发送广播包进行回应
4. ACKNOWLEDGE：确认
   • 被选中的服务器发送 ACK 数据包给客户端
   • 至此，IP 地址分配完毕

图示：

4.2：补充

DHCP 服务器可以跨网段分配 IP 地址吗？（DHCP 服务器、客户端不在同一个网段）

• 可以借助 DHCP 中继代理（DHCP Relay Agent）实现跨网段分配 IP 地址

自动续约：

• 客户端会在租期不足的时候，自动向 DHCP 服务器发送 REQUEST 信息申请续约。

4.3：相关命令

Windows 下相关的命令。

查看 DHCP 相关的详细信息，比如租约过期时间、DHCP 服务器地址等：
ipconfig /all

释放租约：
ipconfig /release

重新申请 IP 地址、申请续约（延长租期）：
ipconfig /renew

5：HTTP

HTTP（Hyper Text Transfer Protocol），超文本传输协议。

• 互联网中应用最广泛的应用层协议之一
• 设计 HTTP 最初的目的：提供一种发布和接收 HTML 页面的方法，由 URI 来标识具体的资源
• 发展至今 HTTP 传递的数据格式不仅仅是 HTML，应用非常广泛

HTML（ Hyper Text Markup Language），超文本标记语言。用以编写网页

HTTP 版本：

• 1991 年，HTTP/0.9
  • 只支持 GET 请求方法获取文本数据
  • 不支持请求头、响应头等
• 1996 年，HTTP/1.0
  • 支持 POST、HEAD 等请求方法
  • 支持请求头、响应头等
  • 支持更多种数据类型，不再局限于文本数据
  • 每次请求都需要与服务器建立一个 TCP 连接，请求处理完成后立即断开 TCP 连接
• 1997 年，HTTP/1.1
  • 最经典、使用最广泛的版本
  • 支持 PUT、DELETE 等请求方法
  • 采用持久连接（Connection: keep-alive），多个请求可以共用同一个 TCP 连接
• 2015 年，HTTP/2.0
• 2018 年，HTTP/3.0

HTTP 的标准：

由万维网协会（W3C）、互联网工程任务组（IETF）协调制定，最终发布一系列的 RFC（Request For Comments，请求意见稿）

RFC 官网：
https://www.rfc-editor.org

报文格式图示：

5.1：URN & URI & URL

URN（Universal Resource Name，统一资源名称）
URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）
URI（Uniform Resource Identifier，统一资源标识符）

URL 给出资源位于哪里（哪台主机、哪个路径、哪个文件夹）
URl 给出具体某资源的定位路径（从资源自身出发，给出可达的路径）

# URI 语法规则：
scheme://user:[e-mail]:port/path/filename?id=1#ch1# URL 语法规则：
scheme://host.domain:port/path/filename# 解释：
scheme     定义因特网服务的类型。最常见的类型是 http
user:pass  认证登录信息
host       定义域主机（http 的默认主机是 www）
domain     定义因特网域名，比如 baidu.com
port       定义主机上的端口号（http 的默认端口号是 80）
path       定义服务器上的路径（如果省略，则文档必须位于网站的根目录中）
filename   定义文档/资源的名称
id=1       查询字符串
ch1        片段标识

URL 属于 URI。

URL 编码：URL 中出现的一些特殊字符（比如中文、空格），需要进行 URL 编码。

在浏览器地址栏输入 URL 时，采用 UTF-8 进行编码。

URL 在线编解码：
https://tool.oschina.net/encode?type=4

比如：

编码前：https://www.baidu.com/s?wd=百度
编码后：https://www.baidu.com/s?wd=%E7%99%BE%E5%BA%A6

5.2：ABNF

ABNF（Augmented BNF）

• 是 BNF（Backus-Naur Form，巴科斯 - 瑙尔范式）的修改、增强版
• 在 RFC 5234 中表明：ABNF 用作 internet 中通信协议的定义语言
• ABNF 是最严谨的 HTTP 报文格式描述形式，脱离 ABNF 谈论 HTTP 报文格式，往往都是不严谨的

核心规则：

5.3：报文格式

• 整体格式：

标记	解释
/	任选一个
*	0 个或多个。2 * 表示至少 2 个，3 * 6 表示 3 到 6 个
()	组成一个整体
[]	可选（可有可无）

• request-line 格式：

• status-line 格式：

• header-filed 格式：

• message-body 格式：

• 关于 HTTP 报文格式的定义：

RFC 2616 4.HTTP Message（旧）
RFC 7230 3.Message Format（新）

5.4：请求方法

目前有 9 种请求方法。

RFC 7231, section 4: Request methods：描述了 8 种请求方法：
GET、HEAD、POST、PUT、DELETE、CONNECT、OPTIONS、TRACE

RFC 5789, section 2: Patch method：描述了 PATCH 方法

• GET：
  常用于读取的操作，请求参数直接拼接在URL的后面（浏览器对URL是有长度限制的）
• POST：
  常用于添加、修改、删除的操作，请求参数可以放到请求体中（没有大小限制）
• HEAD：
  请求得到与GET请求相同的响应，但没有响应体
• OPTIONS：
  用于获取目的资源所支持的通信选项，比如服务器支持的请求方法
• PUT：
  用于对已存在的资源进行整体覆盖
• PATCH：
  用于对资源进行部分修改（资源不存在，会创建新的资源）
• DELETE：
  用于删除指定的资源
• TRACE：
  请求服务器回显其收到的请求信息，主要用于HTTP请求的测试或诊断
• CONNECT：
  可以开启一个客户端与所请求资源之间的双向沟通的通道，它可以用来创建隧道（tunnel）

5.5：状态码

状态码（Status Code）。指示 HTTP 请求完成状态。

在 RFC 2616 10.Status Code Definitions 规范中定义。

状态码可以分为 5 类：

• 1XX：信息响应
• 2XX：成功响应
• 3XX：重定向
• 4XX：客户端错误
• 5XX：服务器错误

常见状态码：

• 100 Continue：
  请求的初始部分已经被服务器收到，并且没有被服务器拒绝。客户端应该继续发送剩余的请求。如果请求已经完成，就忽略这个响应。
  • 允许客户端发送带请求体的请求前，判断服务器是否愿意接收请求
  • 在某些情况下，如果服务器在不看请求体就拒绝请求时，客户端就发送请求体是不恰当的或低效的
• 200 OK：
  请求成功。
• 302 Found：
  请求的资源被暂时的移动到了由 Location 头部指定的 URL 上。
• 304 Not Modified：
  说明无需再次传输请求的内容，也就是说可以使用缓存的内容。
• 400 Bad Request：
  由于语法无效，服务器无法理解该请求。
• 401 Unauthorized：
  缺乏目标资源要求的身份验证凭证。
• 403 Forbidden：
  服务器端有能力处理该请求，但是拒绝授权访问。
• 404 Not Found：
  服务器端无法找到所请求的资源。
• 405 Method Not Allowed：
  服务器禁止了使用当前 HTTP 方法的请求。
• 406 Not Acceptable：
  服务器端无法提供与 Accept-Charset 以及 Accept-Language 指定的值相匹配的响应。
• 408 Request Timeout：
  服务器想要将没有在使用的连接关闭。
  • 一些服务器会在空闲连接上发送此信息，即便是在客户端没有发送任何请求的情况下
• 500 Internal Server Error：
  所请求的服务器遇到意外的情况并阻止其执行请求。
• 501 Not Implemented：
  请求的方法不被服务器支持，因此无法被处理。
  • 服务器必须支持的方法（即不会返回这个状态码的方法）只有 GET 和 HEAD
• 502 Bad Gateway：
  作为网关或代理角色的服务器，从上游服务器（如tomcat）中接收到的响应是无效的。
• 503 Service Unavailable：
  服务器尚未处于可以接受请求的状态。
  • 通常造成这种情况的原因是由于服务器停机维护或者已超载

5.6：头部字段

头部字段（Header Field）可以分为 4 种类型：

• 请求头字段（Request Header Fields）
  有关要获取的资源或客户端本身信息的消息头
• 响应头字段（Response Header Fields）
  有关响应的补充信息，比如服务器本身（名称和版本等）的消息头
• 实体头字段（Entity Header Fields）
  有关实体主体的更多信息，比如主体长度（Content-Length）或其 MIME 类型
• 通用头字段（General Header Fields）
  同时适用于请求和响应消息，但与消息主体无关的消息头

5.6.1：请求头字段

====================================================================
头字段名            说明                                  
====================================================================
User-Agent         浏览器的身份标识字符串。
--------------------------------------------------------------------
Host               服务器域名、端口号。
--------------------------------------------------------------------
Date               发送该消息的日期和时间。
--------------------------------------------------------------------
Referer            表示浏览器访问的前一个页面，正是那个页面上的某个链接将浏览器带到了当前所请求的这个页面。
--------------------------------------------------------------------
Content-Type       请求体的类型
--------------------------------------------------------------------
Content-Length     请求体的长度（字节为单位）
--------------------------------------------------------------------
Accept             能够接受的响应内容类型
--------------------------------------------------------------------
Accept-Charset     能够接受的字符集q 的值越大，优先级越高默认为 1.0 （最大值）
--------------------------------------------------------------------
Accept-Encoding    能够接受的编码方式列表
--------------------------------------------------------------------
Accept-Language    能够接受的响应内容的自然语言列表
--------------------------------------------------------------------
Range              仅请求某个实体的一部分。字节偏移以 0 开始
--------------------------------------------------------------------
Origin             发起一个针对跨域资源共享的请求
--------------------------------------------------------------------
Cookie             之前由服务器通过 Set-Cookie 发送的 Cookie
--------------------------------------------------------------------
Connection         该浏览器想要优先使用的连接类型
--------------------------------------------------------------------
Cache-Control      用来指定在这次请求/响应链中的所有缓存机制都必须遵守的指令
====================================================================

5.6.2：响应头字段

====================================================================
头字段名                        说明                                  
====================================================================
Date                           发送该消息的日期和时间
--------------------------------------------------------------------
Last-Modified                  所请求的对象的最后修改日期
--------------------------------------------------------------------
Server                         服务器的名称
--------------------------------------------------------------------
Expires                        指定一个时间，超过该时间则认为此响应已过期
--------------------------------------------------------------------
Content-Type                   响应体的类型
--------------------------------------------------------------------
Content-Encoding               内容所使用的编码类型
--------------------------------------------------------------------
Content-Length                 响应体的长度（字节为单位）
--------------------------------------------------------------------
Content-Disposition            一个可以让客户端下载文件并建议文件名的头部
--------------------------------------------------------------------
Accept-Ranges                  服务器支持哪些种类的部分内容范围
--------------------------------------------------------------------
Content-Range                  这条部分消息是属于完整消息的哪部分
--------------------------------------------------------------------
Access-Control-Allow-Origin    指定哪些网站可以参与到跨域资源共享
--------------------------------------------------------------------
Location                       进行重定向，或者在创建了某个新资源时使用
--------------------------------------------------------------------
Set-Cookie                     返回一个 Cookie 让客户端保存
--------------------------------------------------------------------
Connection                     针对该连接所预期的选项
--------------------------------------------------------------------
Cache-Control                  向从服务器到客户端在内的所有缓存机制告知，它们是否可以缓存这个对象。（单位为秒）
====================================================================

5.7：Form 提交

常用属性：

• action：请求的 URI
• method：请求方法（GET、POST）
• enctype：POST 请求时，请求体的编码方式
  • application/x-www-form-urlencoded（默认值）
    用【&】分隔参数，用【=】分隔键和值，字符用 URL 编码方式进行编码
  • multipart/form-data
    文件上传时必须使用这种编码方式

multipart/form-data：参考 RFC 1521

5.8：同源策略

浏览器有个同源策略（Same-Origin Policy）。它规定默认情况下，AJAX 请求只能发给同源的 URL。

同源是指 3 个相同：协议、域名（IP）、端口。

img、script、link、iframe、video、audio 等标签不受同源策略的约束。

CORS（Cross-Origin Resource Sharing，跨域资源共享），解决 AJAX 跨域请求的常用方法。

CORS 的实现需要客户端和服务器同时支持。

• 客户端：基本所有的浏览器都支持
• 服务器：需要返回相应的响应头（比如 Access-Control-Allow-Origin），告知浏览器这是一个允许跨域的请求

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清浊易辨，邪正难辨。

——《冰鉴》（清）曾国藩