计算机网络学习笔记：应用层

应用层协议原理

进程通信

• 不同进程位于同一个端系统：端系统上的操作系统决定进程通信机制规则
• 不同进程位于不同端系统：跨越计算机网络交换报文

套接字 socket

• 同一主机内应用层与运输层之间的接口
• 建立网络应用程序的可编程接口，即应用程序编程接口 API
• 进程与计算机网络之间的接口

进程寻址

接收进程标识

1. 主机地址：IP 地址
2. 定义在目的主机中的接收进程的标识符：接收套接字
   目的地端口号实现，特定应用特定端口号

超文本传输协议 HTTP

概念

• 一种无状态协议，服务器向客户发送被请求的文件而不存储任何关于该客户的状态信息
• 定义了报文结构机器交换方式

URI

URI 包含 URL 和 URN。

• Web 页面：由可利用 URL 地址（包括存放对象的服务器主机名、对象路径名）寻址得到的对象组成

报文格式

请求报文

响应报文

方法

客户端发送的 请求报文 第一行为请求行，包含了方法字段。

GET

获取资源

当前网络请求中，绝大部分使用的是 GET 方法。

HEAD

获取报文首部

和 GET 方法类似，但是不返回报文实体主体部分。

主要用于确认 URL 的有效性以及资源更新的日期时间等。

POST

传输实体主体

POST 主要用来传输数据，而 GET 主要用来获取资源。

使用该方法时首部行之后添加实体主体 entity body，内容包括用户表单输入值等。

PUT

上传文件

由于自身不带验证机制，任何人都可以上传文件，因此存在安全性问题，一般不使用该方法。

PUT /new.html HTTP/1.1
Host: example.com
Content-type: text/html
Content-length: 16

<p>New Filep>

PATCH

对资源进行部分修改

PUT 也可以用于修改资源，但是只能完全替代原始资源，PATCH 允许部分修改。

PATCH /file.txt HTTP/1.1
Host: www.example.com
Content-Type: application/example
If-Match: "e0023aa4e"
Content-Length: 100

[description of changes]

DELETE

删除文件

与 PUT 功能相反，允许用户或应用程序删除 Web 服务器上的对象，并且同样不带验证机制。

DELETE /file.html HTTP/1.1

OPTIONS

查询支持的方法

查询指定的 URL 能够支持的方法。

会返回 Allow: GET, POST, HEAD, OPTIONS 这样的内容。

CONNECT

要求在与代理服务器通信时建立隧道

使用 SSL（Secure Sockets Layer，安全套接层）和 TLS（Transport Layer Security，传输层安全）协议把通信内容加密后经网络隧道传输。

CONNECT www.example.com:443 HTTP/1.1

TRACE

追踪路径

服务器会将通信路径返回给客户端。

发送请求时，在 Max-Forwards 首部字段中填入数值，每经过一个服务器就会减 1，当数值为 0 时就停止传输。

通常不会使用 TRACE，并且它容易受到 XST 攻击（Cross-Site Tracing，跨站追踪）。

状态码

服务器返回的 响应报文 中第一行为状态行，包含了状态码以及原因短语，用来告知客户端请求的结果。

状态码	类别	含义
1XX	Informational（信息性状态码）	接收的请求正在处理
2XX	Success（成功状态码）	请求正常处理完毕
3XX	Redirection（重定向状态码）	需要进行附加操作以完成请求
4XX	Client Error（客户端错误状态码）	服务器无法处理请求
5XX	Server Error（服务器错误状态码）	服务器处理请求出错

1XX 信息

• 100 Continue ：表明到目前为止都很正常，客户端可以继续发送请求或者忽略这个响应。

2XX 成功

• 200 OK：请求成功，信息在返回的响应报文中
• 204 No Content ：请求已经成功处理，但是返回的响应报文不包含实体的主体部分。一般在只需要从客户端往服务器发送信息，而不需要返回数据时使用。
• 206 Partial Content ：表示客户端进行了范围请求，响应报文包含由 Content-Range 指定范围的实体内容。

3XX 重定向

• 301 Moved Permanently ：永久性重定向，新的 URL 定义在响应报文的 Location 首部行中，客户软件将自动获取得到
• 302 Found ：临时性重定向
• 303 See Other ：和 302 有着相同的功能，但是 303 明确要求客户端应该采用 GET 方法获取资源。
• 注：虽然 HTTP 协议规定 301、302 状态下重定向时不允许把 POST 方法改成 GET 方法，但是大多数浏览器都会在 301、302 和 303 状态下的重定向把 POST 方法改成 GET 方法。
• 304 Not Modified ：如果请求报文首部包含一些条件，例如：If-Match，If-Modified-Since，If-None-Match，If-Range，If-Unmodified-Since，如果不满足条件，则服务器会返回 304 状态码。
• 307 Temporary Redirect ：临时重定向，与 302 的含义类似，但是 307 要求浏览器不会把重定向请求的 POST 方法改成 GET 方法。

4XX 客户端错误

• 400 Bad Request ：通用差错代码，指示该请求不能被服务器理解。请求报文中存在语法错误等。
• 401 Unauthorized ：该状态码表示发送的请求需要有认证信息（BASIC 认证、DIGEST 认证）。如果之前已进行过一次请求，则表示用户认证失败。
• 403 Forbidden ：请求被拒绝。
• 404 Not Found：被请求的文档不在服务器上
• 406 Not Acceptable：在其中定义 Accept-Charset 和 Accept-Language 不能提供的可接受值列表匹配的响应。返回这种状态时消息正文应包含资源可用表示的列表，允许在其中手动进行选择。

5XX 服务器错误

• 500 Internal Server Error ：服务器正在执行请求时发生错误。
• 503 Service Unavailable ：服务器暂时处于超负载或正在进行停机维护，现在无法处理请求。
• 505 HTTP Version Not Support：服务器不支持请求报文使用的 HTTP 协议版本

首部

有 4 种类型的首部字段：通用首部字段、请求首部字段、响应首部字段和实体首部字段。

各种首部字段及其含义如下：

通用首部字段

首部字段名	说明
Cache-Control	控制缓存的行为
Connection	控制不再转发给代理的首部字段、管理持久连接
Date	创建报文的日期时间
Pragma	报文指令
Trailer	报文末端的首部一览
Transfer-Encoding	指定报文主体的传输编码方式
Upgrade	升级为其他协议
Via	代理服务器的相关信息
Warning	错误通知

请求首部字段

首部字段名	说明
Accept	用户代理可处理的媒体类型
Accept-Charset	优先的字符集
Accept-Encoding	优先的内容编码
Accept-Language	优先的语言（自然语言）
Authorization	Web 认证信息
Expect	期待服务器的特定行为
From	用户的电子邮箱地址
Host	请求资源所在服务器
If-Match	比较实体标记（ETag）
If-Modified-Since	比较资源的更新时间
If-None-Match	比较实体标记（与 If-Match 相反）
If-Range	资源未更新时发送实体 Byte 的范围请求
If-Unmodified-Since	比较资源的更新时间（与 If-Modified-Since 相反）
Max-Forwards	最大传输逐跳数
Proxy-Authorization	代理服务器要求客户端的认证信息
Range	实体的字节范围请求
Referer	对请求中 URI 的原始获取方
TE	传输编码的优先级
User-Agent	HTTP 客户端程序的信息

响应首部字段

首部字段名	说明
Accept-Ranges	是否接受字节范围请求
Age	推算资源创建经过时间
ETag	资源的匹配信息
Location	令客户端重定向至指定 URI
Proxy-Authenticate	代理服务器对客户端的认证信息
Retry-After	对再次发起请求的时机要求
Server	HTTP 服务器的安装信息
Vary	代理服务器缓存的管理信息
WWW-Authenticate	服务器对客户端的认证信息

实体首部字段

首部字段名	说明
Allow	资源可支持的 HTTP 方法
Content-Encoding	实体主体适用的编码方式
Content-Language	实体主体的自然语言
Content-Length	实体主体的大小
Content-Location	替代对应资源的 URI
Content-MD5	实体主体的报文摘要
Content-Range	实体主体的位置范围
Content-Type	实体主体的媒体类型
Expires	实体主体过期的日期时间
Last-Modified	资源的最后修改日期时间

具体应用

连接管理

非持续连接与持续连接

当浏览器访问一个包含多张图片的 HTML 页面时，除了请求访问 HTML 页面资源，还会请求图片资源。如果每进行一次 HTTP 通信就要新建一个 TCP 连接，那么开销会很大。

持续连接只需要建立一次 TCP 连接就能进行多次 HTTP 通信。

• 从 HTTP/1.1 开始默认是持续连接的，如果要断开连接，需要由客户端或者服务器端提出断开，使用 Connection : close；
• 在 HTTP/1.1 之前默认是非持续连接的，如果需要使用持续连接，则使用 Connection : Keep-Alive。

流水线

默认情况下，HTTP 请求是按顺序发出的，下一个请求只有在当前请求收到响应之后才会被发出。由于会受到网络延迟和带宽的限制，在下一个请求被发送到服务器之前，可能需要等待很长时间。

流水线是在同一条长连接上发出连续的请求，而不用等待响应返回，这样可以避免连接延迟。

Cookie

HTTP 协议是无状态的，主要是为了让 HTTP 协议尽可能简单，使得它能够处理大量事务。HTTP/1.1 引入 Cookie 来保存状态信息。

Cookie 是服务器发送到用户浏览器并保存在本地的一小块数据，它会在浏览器之后向同一服务器再次发起请求时被携带上，用于告知服务端两个请求是否来自同一浏览器。由于之后每次请求都会需要携带 Cookie 数据，因此会带来额外的性能开销（尤其是在移动环境下）。

Cookie 曾一度用于客户端数据的存储，因为当时并没有其它合适的存储办法而作为唯一的存储手段，但现在随着现代浏览器开始支持各种各样的存储方式，Cookie 渐渐被淘汰。新的浏览器 API 已经允许开发者直接将数据存储到本地，如使用 Web storage API（本地存储和会话存储）或 IndexedDB。

用途

• 会话状态管理（如用户登录状态、购物车、游戏分数或其它需要记录的信息）
• 个性化设置（如用户自定义设置、主题等）
• 浏览器行为跟踪（如跟踪分析用户行为等）

创建过程

服务器发送的响应报文包含 Set-Cookie 首部字段，客户端得到响应报文后把 Cookie 内容保存到浏览器中。

HTTP/1.0 200 OK
Content-type: text/html
Set-Cookie: yummy_cookie=choco
Set-Cookie: tasty_cookie=strawberry

[page content]

客户端之后对同一个服务器发送请求时，会从浏览器中取出 Cookie 信息并通过 Cookie 请求首部字段发送给服务器。

GET /sample_page.html HTTP/1.1
Host: www.example.org
Cookie: yummy_cookie=choco; tasty_cookie=strawberry

分类

• 会话期 Cookie：浏览器关闭之后它会被自动删除，也就是说它仅在会话期内有效。
• 持久性 Cookie：指定一个特定的过期时间（Expires）或有效期（max-age）之后就成为了持久性的 Cookie。

Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT;

作用域

Domain 标识指定了哪些主机可以接受 Cookie。如果不指定，默认为当前文档的主机（不包含子域名）。如果指定了 Domain，则一般包含子域名。例如，如果设置 Domain=mozilla.org，则 Cookie 也包含在子域名中（如 developer.mozilla.org）。

Path 标识指定了主机下的哪些路径可以接受 Cookie（该 URL 路径必须存在于请求 URL 中）。以字符 % x2F ("/") 作为路径分隔符，子路径也会被匹配。例如，设置 Path=/docs，则以下地址都会匹配：

• /docs
• /docs/Web/
• /docs/Web/HTTP

JavaScript

通过 document.cookie 属性可创建新的 Cookie，也可通过该属性访问非 HttpOnly 标记的 Cookie。

document.cookie = "yummy_cookie=choco";
document.cookie = "tasty_cookie=strawberry";
console.log(document.cookie);

HttpOnly

标记为 HttpOnly 的 Cookie 不能被 JavaScript 脚本调用。跨站脚本攻击 (XSS) 常常使用 JavaScript 的 document.cookie API 窃取用户的 Cookie 信息，因此使用 HttpOnly 标记可以在一定程度上避免 XSS 攻击。

Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT; Secure; HttpOnly

Secure

标记为 Secure 的 Cookie 只能通过被 HTTPS 协议加密过的请求发送给服务端。但即便设置了 Secure 标记，敏感信息也不应该通过 Cookie 传输，因为 Cookie 有其固有的不安全性，Secure 标记也无法提供确实的安全保障。

Session

除了可以将用户信息通过 Cookie 存储在用户浏览器中，也可以利用 Session 存储在服务器端，存储在服务器端的信息更加安全。

Session 可以存储在服务器上的文件、数据库或者内存中。也可以将 Session 存储在 Redis 这种内存型数据库中，效率会更高。

使用 Session 维护用户登录状态的过程如下：

• 用户进行登录时，用户提交包含用户名和密码的表单，放入 HTTP 请求报文中；
• 服务器验证该用户名和密码，如果正确则把用户信息存储到 Redis 中，它在 Redis 中的 Key 称为 Session ID；
• 服务器返回的响应报文的 Set-Cookie 首部字段包含了这个 Session ID，客户端收到响应报文之后将该 Cookie 值存入浏览器中；
• 客户端之后对同一个服务器进行请求时会包含该 Cookie 值，服务器收到之后提取出 Session ID，从 Redis 中取出用户信息，继续之前的业务操作。

应该注意 Session ID 的安全性问题，不能让它被恶意攻击者轻易获取，那么就不能产生一个容易被猜到的 Session ID 值。此外，还需要经常重新生成 Session ID。在对安全性要求极高的场景下，例如转账等操作，除了使用 Session 管理用户状态之外，还需要对用户进行重新验证，比如重新输入密码，或者使用短信验证码等方式。

浏览器禁用 Cookie

此时无法使用 Cookie 来保存用户信息，只能使用 Session。除此之外，不能再将 Session ID 存放到 Cookie 中，而是使用 URL 重写技术，将 Session ID 作为 URL 的参数进行传递。

Cookie 与 Session 选择

• Cookie 只能存储 ASCII 码字符串，而 Session 则可以存取任何类型的数据，因此在考虑数据复杂性时首选 Session；
• Cookie 存储在浏览器中，容易被恶意查看。如果非要将一些隐私数据存在 Cookie 中，可以将 Cookie 值进行加密，然后在服务器进行解密；
• 对于大型网站，如果用户所有的信息都存储在 Session 中，那么开销是非常大的，因此不建议将所有的用户信息都存储到 Session 中。

缓存

优点

• 缓解服务器压力；
• 降低客户端获取资源的延迟：缓存通常位于内存中，读取缓存的速度更快。并且缓存在地理位置上也有可能比源服务器来得近，例如浏览器缓存。

实现方法

• 让代理服务器进行缓存；
• 让客户端浏览器进行缓存。

Cache-Control

HTTP/1.1 通过 Cache-Control 首部字段来控制缓存。

3.1 禁止进行缓存

no-store 指令规定不能对请求或响应的任何一部分进行缓存。

Cache-Control: no-store

3.2 强制确认缓存

no-cache 指令规定缓存服务器需要先向源服务器验证缓存资源的有效性，只有当缓存资源有效才将能使用该缓存对客户端的请求进行响应。

Cache-Control: no-cache

3.3 私有缓存和公共缓存

private 指令规定了将资源作为私有缓存，只能被单独用户所使用，一般存储在用户浏览器中。

Cache-Control: private

public 指令规定了将资源作为公共缓存，可以被多个用户所使用，一般存储在代理服务器中。

Cache-Control: public

3.4 缓存过期机制

max-age 指令出现在请求报文中，并且缓存资源的缓存时间小于该指令指定的时间，那么就能接受该缓存。

max-age 指令出现在响应报文中，表示缓存资源在缓存服务器中保存的时间。

Cache-Control: max-age=31536000

Expires 首部字段也可以用于告知缓存服务器该资源什么时候会过期。

Expires: Wed, 04 Jul 2012 08:26:05 GMT

• 在 HTTP/1.1 中，会优先处理 max-age 指令；
• 在 HTTP/1.0 中，max-age 指令会被忽略掉。

缓存验证

需要先了解 ETag 首部字段的含义，它是资源的唯一标识。URL 不能唯一表示资源，例如 http://www.google.com/ 有中文和英文两个资源，只有 ETag 才能对这两个资源进行唯一标识。

ETag: "82e22293907ce725faf67773957acd12"

可以将缓存资源的 ETag 值放入 If-None-Match 首部，服务器收到该请求后，判断缓存资源的 ETag 值和资源的最新 ETag 值是否一致，如果一致则表示缓存资源有效，返回 304 Not Modified。

If-None-Match: "82e22293907ce725faf67773957acd12"

Last-Modified 首部字段也可以用于缓存验证，它包含在源服务器发送的响应报文中，指示源服务器对资源的最后修改时间。但是它是一种弱校验器，因为只能精确到一秒，所以它通常作为 ETag 的备用方案。如果响应首部字段里含有这个信息，客户端可以在后续的请求中带上 If-Modified-Since 来验证缓存。服务器只在所请求的资源在给定的日期时间之后对内容进行过修改的情况下才会将资源返回，状态码为 200 OK。如果请求的资源从那时起未经修改，那么返回一个不带有消息主体的 304 Not Modified 响应。

Last-Modified: Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT
If-Modified-Since: Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT

内容协商

通过内容协商返回最合适的内容，例如根据浏览器的默认语言选择返回中文界面还是英文界面。

类型

1.1 服务端驱动型

客户端设置特定的 HTTP 首部字段，例如 Accept、Accept-Charset、Accept-Encoding、Accept-Language，服务器根据这些字段返回特定的资源。

它存在以下问题：

• 服务器很难知道客户端浏览器的全部信息；
• 客户端提供的信息相当冗长（HTTP/2 协议的首部压缩机制缓解了这个问题），并且存在隐私风险（HTTP 指纹识别技术）；
• 给定的资源需要返回不同的展现形式，共享缓存的效率会降低，而服务器端的实现会越来越复杂。

1.2 代理驱动型

服务器返回 300 Multiple Choices 或者 406 Not Acceptable，客户端从中选出最合适的那个资源。

Vary

Vary: Accept-Language

在使用内容协商的情况下，只有当缓存服务器中的缓存满足内容协商条件时，才能使用该缓存，否则应该向源服务器请求该资源。

例如，一个客户端发送了一个包含 Accept-Language 首部字段的请求之后，源服务器返回的响应包含 Vary: Accept-Language 内容，缓存服务器对这个响应进行缓存之后，在客户端下一次访问同一个 URL 资源，并且 Accept-Language 与缓存中的对应的值相同时才会返回该缓存。

内容编码

内容编码将实体主体进行压缩，从而减少传输的数据量。

常用的内容编码有：gzip、compress、deflate、identity。

浏览器发送 Accept-Encoding 首部，其中包含有它所支持的压缩算法，以及各自的优先级。服务器则从中选择一种，使用该算法对响应的消息主体进行压缩，并且发送 Content-Encoding 首部来告知浏览器它选择了哪一种算法。由于该内容协商过程是基于编码类型来选择资源的展现形式的，在响应的 Vary 首部至少要包含 Content-Encoding。

范围请求

如果网络出现中断，服务器只发送了一部分数据，范围请求可以使得客户端只请求服务器未发送的那部分数据，从而避免服务器重新发送所有数据。

Range

在请求报文中添加 Range 首部字段指定请求的范围。

GET /z4d4kWk.jpg HTTP/1.1
Host: i.imgur.com
Range: bytes=0-1023

请求成功的话服务器返回的响应包含 206 Partial Content 状态码。

HTTP/1.1 206 Partial Content
Content-Range: bytes 0-1023/146515
Content-Length: 1024
...
(binary content)

Accept-Ranges

响应首部字段 Accept-Ranges 用于告知客户端是否能处理范围请求，可以处理使用 bytes，否则使用 none。

Accept-Ranges: bytes

响应状态码

• 在请求成功的情况下，服务器会返回 206 Partial Content 状态码
• 在请求的范围越界的情况下，服务器会返回 416 Requested Range Not Satisfiable 状态码
• 在不支持范围请求的情况下，服务器会返回 200 OK 状态码

分块传输编码

Chunked Transfer Encoding，可以把数据分割成多块，让浏览器逐步显示页面。

多部份对象集合

一份报文主体内可含有多种类型的实体同时发送，每个部分之间用 boundary 字段定义的分隔符进行分隔，每个部分都可以有首部字段。

例如，上传多个表单时可以使用如下方式：

Content-Type: multipart/form-data; boundary=AaB03x

--AaB03x
Content-Disposition: form-data; name="submit-name"

Larry
--AaB03x
Content-Disposition: form-data; name="files"; filename="file1.txt"
Content-Type: text/plain

... contents of file1.txt ...
--AaB03x--

虚拟主机

HTTP/1.1 使用虚拟主机技术，使得一台服务器拥有多个域名，并且在逻辑上可以看成多个服务器。

通用数据转发

代理

代理服务器接受客户端的请求，并且转发给其它服务器。

使用代理的主要目的是：

• 缓存
• 负载均衡
• 网络访问控制
• 访问日志记录

代理服务器分为正向代理和反向代理两种：

• 用户察觉得到正向代理的存在。
  

• 而反向代理一般位于内部网络中，用户察觉不到。

网关

与代理服务器不同的是，网关服务器会将 HTTP 转化为其它协议进行通信，从而请求其它非 HTTP 服务器的服务。

隧道

使用 SSL （安全套接字层）等加密手段，在客户端和服务器之间建立一条安全的通信线路。

HTTPS

HTTP 有以下安全性问题：

• 使用明文进行通信，内容可能会被窃听
• 不验证通信方的身份，通信方的身份有可能遭遇伪装
• 无法证明报文的完整性，报文有可能遭篡改

HTTPS 并不是新协议，而是让 HTTP 先和 SSL（Secure Sockets Layer）通信，再由 SSL 和 TCP 通信，也就是说 HTTPS 使用了隧道进行通信。

通过使用 SSL，HTTPS 具有了加密（防窃听）、认证（防伪装）和完整性保护（防篡改）。

加密

对称密钥加密

对称密钥加密（Symmetric-Key Encryption），加密和解密使用同一密钥。

• 优点：运算速度快；
• 缺点：无法安全地将密钥传输给通信方。
  

非对称密钥加密

非对称密钥加密，又称公开密钥加密（Public-Key Encryption），加密和解密使用不同的密钥。

公开密钥所有人都可以获得，通信发送方获得接收方的公开密钥之后，就可以使用公开密钥进行加密，接收方收到通信内容后使用私有密钥解密。

非对称密钥除了用来加密，还可以用来进行签名。因为私有密钥无法被其他人获取，因此通信发送方使用其私有密钥进行签名，通信接收方使用发送方的公开密钥对签名进行解密，就能判断这个签名是否正确。

• 优点：可以更安全地将公开密钥传输给通信发送方；
• 缺点：运算速度慢。

HTTPS 采用的加密方式

HTTPS 采用混合的加密机制，使用非对称密钥加密用于传输对称密钥来保证传输过程的安全性，之后使用对称密钥加密进行通信来保证通信过程的效率。（下图中的 Session Key 就是对称密钥）

认证

通过使用 证书 来对通信方进行认证。

数字证书认证机构（CA，Certificate Authority）是客户端与服务器双方都可信赖的第三方机构。

服务器的运营人员向 CA 提出公开密钥的申请，CA 在判明提出申请者的身份之后，会对已申请的公开密钥做数字签名，然后分配这个已签名的公开密钥，并将该公开密钥放入公开密钥证书后绑定在一起。

进行 HTTPS 通信时，服务器会把证书发送给客户端。客户端取得其中的公开密钥之后，先使用数字签名进行验证，如果验证通过，就可以开始通信了。

完整性保护

SSL 提供报文摘要功能来进行完整性保护。

HTTP 也提供了 MD5 报文摘要功能，但不是安全的。例如报文内容被篡改之后，同时重新计算 MD5 的值，通信接收方无法意识到发生了篡改。

HTTPS 的报文摘要功能之所以安全，是因为它结合了加密和认证这两个操作。试想一下，加密之后的报文，遭到篡改之后，也很难重新计算报文摘要，因为无法轻易获取明文。

HTTPS 的缺点

• 因为需要进行加密解密等过程，因此速度会更慢；
• 需要支付证书授权的高额费用。

HTTP/2.0

HTTP/1.x 缺陷

HTTP/1.x 实现简单是以牺牲性能为代价的：

• 客户端需要使用多个连接才能实现并发和缩短延迟
• 不会压缩请求和响应首部，从而导致不必要的网络流量
• 不支持有效的资源优先级，致使底层 TCP 连接的利用率低下

二进制分帧层

HTTP/2.0 将报文分成 HEADERS 帧和 DATA 帧，它们都是二进制格式的。

在通信过程中，只会有一个 TCP 连接存在，它承载了任意数量的双向数据流（Stream）。

• 一个数据流（Stream）都有一个唯一标识符和可选的优先级信息，用于承载双向信息。
• 消息（Message）是与逻辑请求或响应对应的完整的一系列帧。
• 帧（Frame）是最小的通信单位，来自不同数据流的帧可以交错发送，然后再根据每个帧头的数据流标识符重新组装。
  

服务端推送

HTTP/2.0 在客户端请求一个资源时，会把相关的资源一起发送给客户端，客户端就不需要再次发起请求了。例如客户端请求 page.html 页面，服务端就把 script.js 和 style.css 等与之相关的资源一起发给客户端。

首部压缩

HTTP/1.1 的首部带有大量信息，而且每次都要重复发送。

HTTP/2.0 要求客户端和服务器同时维护和更新一个包含之前见过的首部字段表，从而避免了重复传输。

不仅如此，HTTP/2.0 也使用 Huffman 编码对首部字段进行压缩。

HTTP/1.1 新特性

详细内容请见上文

• 默认是持续连接
• 支持流水线
• 支持同时打开多个 TCP 连接
• 支持虚拟主机
• 新增状态码 100
• 支持分块传输编码
• 新增缓存处理指令 max-age

GET 和 POST 比较

作用

GET 用于获取资源，而 POST 用于传输实体主体。

参数

GET 和 POST 的请求都能使用额外的参数，但是 GET 的参数是以查询字符串出现在 URL 中，而 POST 的参数存储在实体主体中。不能因为 POST 参数存储在实体主体中就认为它的安全性更高，因为照样可以通过一些抓包工具（Fiddler）查看。

因为 URL 只支持 ASCII 码，因此 GET 的参数中如果存在中文等字符就需要先进行编码。例如 中文 会转换为 %E4%B8%AD%E6%96%87，而空格会转换为 %20。POST 参数支持标准字符集。

GET /test/demo_form.asp?name1=value1&name2=value2 HTTP/1.1


POST /test/demo_form.asp HTTP/1.1
Host: w3schools.com
name1=value1&name2=value2

安全

安全的 HTTP 方法不会改变服务器状态，也就是说它只是可读的。

GET 方法是安全的，而 POST 却不是，因为 POST 的目的是传送实体主体内容，这个内容可能是用户上传的表单数据，上传成功之后，服务器可能把这个数据存储到数据库中，因此状态也就发生了改变。

安全的方法除了 GET 之外还有：HEAD、OPTIONS。

不安全的方法除了 POST 之外还有 PUT、DELETE。

幂等性

幂等的 HTTP 方法，同样的请求被执行一次与连续执行多次的效果是一样的，服务器的状态也是一样的。换句话说就是，幂等方法不应该具有副作用（统计用途除外）。

所有的安全方法也都是幂等的。

在正确实现的条件下，GET，HEAD，PUT 和 DELETE 等方法都是幂等的，而 POST 方法不是。

GET /pageX HTTP/1.1 是幂等的，连续调用多次，客户端接收到的结果都是一样的：

GET /pageX HTTP/1.1
GET /pageX HTTP/1.1
GET /pageX HTTP/1.1
GET /pageX HTTP/1.1

POST /add_row HTTP/1.1 不是幂等的，如果调用多次，就会增加多行记录：

POST /add_row HTTP/1.1   -> Adds a 1nd row
POST /add_row HTTP/1.1   -> Adds a 2nd row
POST /add_row HTTP/1.1   -> Adds a 3rd row

DELETE /idX/delete HTTP/1.1 是幂等的，即便不同的请求接收到的状态码不一样：

DELETE /idX/delete HTTP/1.1   -> Returns 200 if idX exists
DELETE /idX/delete HTTP/1.1   -> Returns 404 as it just got deleted
DELETE /idX/delete HTTP/1.1   -> Returns 404

可缓存

如果要对响应进行缓存，需要满足以下条件：

• 请求报文的 HTTP 方法本身是可缓存的，包括 GET 和 HEAD，但是 PUT 和 DELETE 不可缓存，POST 在多数情况下不可缓存的。
• 响应报文的状态码是可缓存的，包括：200, 203, 204, 206, 300, 301, 404, 405, 410, 414, 和 501。
• 响应报文的 Cache-Control 首部字段没有指定不进行缓存。

XMLHttpRequest

为了阐述 POST 和 GET 的另一个区别，需要先了解 XMLHttpRequest：

XMLHttpRequest 是一个 API，它为客户端提供了在客户端和服务器之间传输数据的功能。它提供了一个通过 URL 来获取数据的简单方式，并且不会使整个页面刷新。这使得网页只更新一部分页面而不会打扰到用户。XMLHttpRequest 在 AJAX 中被大量使用。

• 在使用 XMLHttpRequest 的 POST 方法时，浏览器会先发送 Header 再发送 Data。但并不是所有浏览器会这么做，例如火狐就不会。
• 而 GET 方法 Header 和 Data 会一起发送。

文件传送协议 FTP

特性

FTP 使用两个并行的 TCP 连接来传送一个文件：

• 控制连接

  服务器打开端口号 21 等待客户端的连接，客户端主动建立连接后，使用这个连接将客户端的命令传送给服务器，并传回服务器的应答。

  控制信息包括：用户标识、口令、改变远程目录的命令、存放 和 获取 文件的命令

  独立，是带外 out-of-band 传送的。

• 数据连接

  用于实际传送一个文件数据。

过程

1. 客户端与服务器端发起用于控制的 TCP 连接
2. 服务器端从控制连接接收到文件传输命令后发起到客户端的 TCP 数据连接
3. 在数据连接上传送文件而后关闭数据连接

• 每个文件数据连接独立非连续，控制连接贯穿整个用户会话期间
  服务器需要在会话期间保留用户的状态，包括追踪用户在远程目录的位置、限制同时会话总数等

主动与被动

根据数据连接是否是服务器端主动建立，FTP 有主动和被动两种模式：

• 主动模式：服务器端主动建立数据连接，其中服务器端的端口号为 20，客户端的端口号随机，但是必须大于 1024，因为 0~1023 是熟知端口号。

• 被动模式：客户端主动建立数据连接，其中客户端的端口号由客户端自己指定，服务器端的端口号随机。

主动模式要求客户端开放端口号给服务器端，需要去配置客户端的防火墙。被动模式只需要服务器端开放端口号即可，无需客户端配置防火墙。但是被动模式会导致服务器端的安全性减弱，因为开放了过多的端口号。

电子邮件协议

一个电子邮件系统由三部分组成：用户代理、邮件服务器以及邮件协议。

邮件协议包含发送协议和读取协议，发送协议常用 SMTP，读取协议常用 POP3 和 IMAP，也可以使用 HTTP，此时用户代理即浏览器。

SMTP

直接将报文从发送方邮件服务器发送到接受方的邮件服务器，不在中间邮件服务器存留。当出现特殊情况无法完成交付时，发送方邮件报文在发送方服务器的报文队列中暂存并在以后尝试再次发送，若仍发送失败则以邮件形式告知发件方。

SMTP 只能发送 ASCII 码，当传输多媒体文件时需要将二进制的多媒体数据编码为 ASCII 码，且接收方需要进行解码。

而互联网邮件扩充 MIME 可以发送二进制文件。MIME 并没有改动或者取代 SMTP，而是增加邮件主体的结构，定义了非 ASCII 码的编码规则。

POP3

工作流程

1. 特许

用户代理发送用户名与口令以鉴别用户

2. 事务处理

用户代理取回报文，对报文做 删除 / 取消删除 标记（状态信息被保留，但是不会在会话过程中携带），获取邮件的统计信息

3. 更新

在用户发出 quit 命令后结束该 POP3 会话，邮件服务器删除被标记为删除的报文，删除后不可在其他端系统再次获取。

特点

• 只要用户从服务器上读取了邮件，就把该邮件删除。

IMAP

功能

• 将每个报文与一个文件夹相联系

  首次到达时在收件箱文件夹

  用户可随意创建新文件夹并移动邮件

  用户可在远程文件夹中查询邮件

• 维护了 IMAP 会话的用户状态信息
  如文件夹名与其相关联的报文等

• 允许用户代理获取报文组件
  用户代理可只读取一个报文的报文首部或是多部份 MIME 报文的一部分
  适用于低带宽连接

特点

IMAP 协议中客户端和服务器上的邮件保持同步，如果不手动删除邮件，那么服务器上的邮件也不会被删除。IMAP 这种做法可以让用户随时随地去访问服务器上的邮件。

域名系统 DNS

概念

DNS 是一个分布式、层次化的数据库，提供了主机名和 IP 地址之间相互转换的服务。这里的分布式数据库是指，每个站点只保留它自己的那部分数据。

存在缓存机制，在请求链中，当服务器接收到回答时将回答中的信息缓存在本地存储器中，再次收到请求时则可直接提供回答。缓存信息定时被服务器清理。

域名具有层次结构，从上到下依次为：根域名、顶级域名、二级域名（权威域名）。

特性

• 不直接与用户交互
• 虽然本质为应用层协议，使用客户 - 服务器模式运行在通信的端系统间通过运输协议传递 DNS 报文，但大多数情况下由其他应用层协议所使用

连接

DNS 可以使用 UDP 或者 TCP 进行传输，使用的端口号都为 53。大多数情况下 DNS 使用 UDP 进行传输，这就要求域名解析器和域名服务器都必须自己处理超时和重传从而保证可靠性。在两种情况下会使用 TCP 进行传输：

• 如果返回的响应超过的 512 字节（UDP 最大只支持 512 字节的数据）。
• 区域传送（区域传送是主域名服务器向辅助域名服务器传送变化的那部分数据）。

负载分配

1. 繁忙的站点被冗余分布在多台服务器之上
2. IP 地址集合被联系到同一个规范主机名
3. 当用户对映射到某地址集合的名字发出 DNS 请求时服务器使用整个集合进行响应
4. 在每个回答中循环这些地址次序，客户总对 IP 地址排在最前的服务器发送请求

资源记录 RR

• 提供了主机名到 IP 地址的映射
• （Name，Value，Type，TTL）
  • TTL 为该记录的生存时间
  • Type
    • A：Name 为主机名、Value 为对应的 IP 地址
    • NS：Name 是个域、Value 是个知道如何获得该域中主机 IP 地址的权威 DNS 服务器的主机名
    • CNAME：Value 是别名为 Name 的主机对应的规范主机名
    • MX：Value 是个别名为 Name 的邮件服务器的规范主机名

主机动态配置协议 DHCP

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用的连网方式，用户不再需要手动配置 IP 地址等信息。

DHCP 配置的内容不仅是 IP 地址，还包括子网掩码、网关 IP 地址。

DHCP 工作过程如下：

1. 客户端发送 Discover 报文，该报文的目的地址为 255.255.255.255:67，源地址为 0.0.0.0:68，被放入 UDP 中，该报文被广播到同一个子网的所有主机上。如果客户端和 DHCP 服务器不在同一个子网，就需要使用中继代理。
2. DHCP 服务器收到 Discover 报文之后，发送 Offer 报文给客户端，该报文包含了客户端所需要的信息。因为客户端可能收到多个 DHCP 服务器提供的信息，因此客户端需要进行选择。
3. 如果客户端选择了某个 DHCP 服务器提供的信息，那么就发送 Request 报文给该 DHCP 服务器。
4. DHCP 服务器发送 Ack 报文，表示客户端此时可以使用提供给它的信息。
   

远程登录协议 TELNET

TELNET 用于登录到远程主机上，并且远程主机上的输出也会返回。

TELNET 可以适应许多计算机和操作系统的差异，例如不同操作系统系统的换行符定义。

常用端口

应用	应用层协议	端口号	传输层协议	备注
域名解析	DNS	53	UDP/TCP	长度超过 512 字节时使用 TCP
动态主机配置协议	DHCP	67/68	UDP
简单网络管理协议	SNMP	161/162	UDP
文件传送协议	FTP	20/21	TCP	控制连接 21，数据连接 20
远程终端协议	TELNET	23	TCP
超文本传送协议	HTTP	80	TCP
简单邮件传送协议	SMTP	25	TCP
邮件读取协议	POP3	110	TCP
网际报文存取协议	IMAP	143	TCP

Web 页面请求过程

DHCP 配置主机信息

• 假设主机最开始没有 IP 地址以及其它信息，那么就需要先使用 DHCP 来获取。
• 主机生成一个 DHCP 请求报文，并将这个报文放入具有目的端口 67 和源端口 68 的 UDP 报文段中。
• 该报文段则被放入在一个具有广播 IP 目的地址 (255.255.255.255) 和源 IP 地址（0.0.0.0）的 IP 数据报中。
• 该数据报则被放置在 MAC 帧中，该帧具有目的地址 FF:FF:FF:FF:FF:FF，将广播到与交换机连接的所有设备。
• 连接在交换机的 DHCP 服务器收到广播帧之后，不断地向上分解得到 IP 数据报、UDP 报文段、DHCP 请求报文，之后生成 DHCP ACK 报文，该报文包含以下信息：IP 地址、DNS 服务器的 IP 地址、默认网关路由器的 IP 地址和子网掩码。该报文被放入 UDP 报文段中，UDP 报文段有被放入 IP 数据报中，最后放入 MAC 帧中。
• 该帧的目的地址是请求主机的 MAC 地址，因为交换机具有自学习能力，之前主机发送了广播帧之后就记录了 MAC 地址到其转发接口的交换表项，因此现在交换机就可以直接知道应该向哪个接口发送该帧。
• 主机收到该帧后，不断分解得到 DHCP 报文。之后就配置它的 IP 地址、子网掩码和 DNS 服务器的 IP 地址，并在其 IP 转发表中安装默认网关。

ARP 解析 MAC 地址

• 主机通过浏览器生成一个 TCP 套接字，套接字向 HTTP 服务器发送 HTTP 请求。为了生成该套接字，主机需要知道网站的域名对应的 IP 地址。
• 主机生成一个 DNS 查询报文，该报文具有 53 号端口，因为 DNS 服务器的端口号是 53。
• 该 DNS 查询报文被放入目的地址为 DNS 服务器 IP 地址的 IP 数据报中。
• 该 IP 数据报被放入一个以太网帧中，该帧将发送到网关路由器。
• DHCP 过程只知道网关路由器的 IP 地址，为了获取网关路由器的 MAC 地址，需要使用 ARP 协议。
• 主机生成一个包含目的地址为网关路由器 IP 地址的 ARP 查询报文，将该 ARP 查询报文放入一个具有广播目的地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）的以太网帧中，并向交换机发送该以太网帧，交换机将该帧转发给所有的连接设备，包括网关路由器。
• 网关路由器接收到该帧后，不断向上分解得到 ARP 报文，发现其中的 IP 地址与其接口的 IP 地址匹配，因此就发送一个 ARP 回答报文，包含了它的 MAC 地址，发回给主机。

DNS 解析域名

• 知道了网关路由器的 MAC 地址之后，就可以继续 DNS 的解析过程了。
• 网关路由器接收到包含 DNS 查询报文的以太网帧后，抽取出 IP 数据报，并根据转发表决定该 IP 数据报应该转发的路由器。
• 因为路由器具有内部网关协议（RIP、OSPF）和外部网关协议（BGP）这两种路由选择协议，因此路由表中已经配置了网关路由器到达 DNS 服务器的路由表项。
• 到达 DNS 服务器之后，DNS 服务器抽取出 DNS 查询报文，并在 DNS 数据库中查找待解析的域名。
• 找到 DNS 记录之后，发送 DNS 回答报文，将该回答报文放入 UDP 报文段中，然后放入 IP 数据报中，通过路由器反向转发回网关路由器，并经过以太网交换机到达主机。

HTTP 请求页面

• 有了 HTTP 服务器的 IP 地址之后，主机就能够生成 TCP 套接字，该套接字将用于向 Web 服务器发送 HTTP GET 报文。
• 在生成 TCP 套接字之前，必须先与 HTTP 服务器进行三次握手来建立连接。生成一个具有目的端口 80 的 TCP SYN 报文段，并向 HTTP 服务器发送该报文段。
• HTTP 服务器收到该报文段之后，生成 TCP SYN ACK 报文段，发回给主机。
• 连接建立之后，浏览器生成 HTTP GET 报文，并交付给 HTTP 服务器。
• HTTP 服务器从 TCP 套接字读取 HTTP GET 报文，生成一个 HTTP 响应报文，将 Web 页面内容放入报文主体中，发回给主机。
• 浏览器收到 HTTP 响应报文后，抽取出 Web 页面内容，之后进行渲染，显示 Web 页面。

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参考：

https://cyc2018.github.io/CS-Notes/#/notes/计算机网络 - 应用层
https://cyc2018.github.io/CS-Notes/#/notes/HTTP

《计算机网络：自顶向下方法》