TCP/IP协议簇(二)应用层协议

文件传输:FTP、TFTP
邮件服务:SMTP、POP3、IMAP
网络管理:SNMP
远程登录:Telnet、SSH
网络服务:HTTP、HTTPS、DNS、SSL
其他应用协议(流媒体、QQ、P2P、迅雷等私有协议)

文件传输:FTP、TFTP

1、FTP(文件传输协议(File Transfer Protocol))

FTP工作在TCP/IP模型的应用层,基于的传输协议是TCP,FTP客户端和服务器之间的连接是可靠的,面向连接的,为数据的传输提供了可靠的保证。

FTP的主要特征:
1.控制连接:是建立在客户协议解释器和服务器协议解释器之间用于交换命令与应答的通信链路。(控制指令,协商验证方式,双方软件版本等等,关键步骤,协商数据连接用主动模式还是被动模式。没涉及到真正文件传输。)(Telnet)

2.数据连接:是传输数据的全双工连接。传输数据可以发生在服务器数据传输过程DTP和客户DTP之间,也可以发生在两个服务器的DTP之间。(真正要传文件,用数据连接)
两种工作模式:主动模式(Port)、被动模式(PAVS)

-Port模式的FTP详细步骤如下:

1、 客户端发送一个TCP SYN(TCP同步)包给服务器端众所周知的FTP控制端口21,客户端使用暂时的端口作为它的源端口;

2、 服务器端发送SYN ACK(同步确认)包给客户端,源端口为21,目的端口为客户端上使用的暂时端口;

3、 客户端发送一个ACK(确认)包;客户端使用这个连接来发送FTP命令,服务器端使用这个连接来发送FTP应答;

4、 当用户请求一个列表(List)请求或者发起一个要求发送或者接受文件的请求,客户端软件使用PORT命令,这个命令包含了一个暂时的端口,客户端希望服务器在打开一个数据连接时候使用这个暂时端口;PORT命令也包含了一个IP地址,这个IP地址通常是客户自己的IP地址,而且FTP也支持第三方 (third-party)模式,第三方模式是客户端告诉服务器端打开与另一台主机的连接;

5、 服务器端发送一个SYN包给客户端的暂时端口,源端口为20,暂时端口为客户端在PORT命令中发送给服务器端的暂时端口号;

6、 客户端以源端口为暂时端口,目的端口为20发送一个SYN ACK包;

7、 服务器端发送一个ACK包;

8、 发送数据的主机以这个连接来发送数据,数据以TCP段(注:segment,第4层的PDU)形式发送(一些命令,如STOR表示客户端要发送数据,RETR表示服务器段发送数据),这些TCP段都需要对方进行ACK确认(注:因为TCP协议是一个面向连接的协议)

9、 当数据传输完成以后,发送数据的主机以一个FIN命令来结束数据连接,这个FIN命令需要另一台主机以ACK确认,另一台主机也发送一个FIN命令,这个FIN命令同样需要发送数据的主机以ACK确认;

10、 客户端能在控制连接上发送更多的命令,这可以打开和关闭另外的数据连接;有时候客户端结束后,客户端以FIN命令来关闭一个控制连接,服务器端以ACK包来确认客户端的FIN,服务器同样也发送它的FIN,客户端用ACK来确认。

-被动模式(PAVS模式)

为了解决服务器发起到客户的连接的问题,人们开发了一种不同的FTP连接方式。这就是所谓的被动方式,或者叫做PASV,当客户端通知服务器它处于被动模式时才启用。

在被动方式FTP中,命令连接和数据连接都由客户端,这样就可以解决从服务器到客户端的数据端口的入方向连接被防火墙过滤掉的问题。当开启一个FTP连接时,客户端打开两个任意的本地端口(N >; 1024和N+1)。第一个端口连接服务器的21端口,但与主动方式的FTP不同,客户端不会提交PORT命令并允许服务器来回连它的数据端口,而是提交PASV命令。这样做的结果是服务器会开启一个任意的非特权端口(端口号大于1024),并发送PORT P命令给客户端。然后客户端发起从本地端口N+1到服务器的端口P的连接用来传送数据。对于服务器端的防火墙来说,必须允许下面的通讯才能支持被动方式的FTP。从任何端口到服务器的21端口 (客户端初始化的连接);服务器的21端口到任何大于1023的端口 (服务器响应到客户端的控制端口的连接 );从任何端口到服务器的大于1023端口 (客户端初始化数据连接到服务器指定的任意端口);服务器的大于1023端口到远程的大于1023的端口(出;服务器发送ACK响应和数据到客户端的数据端口)。

对比主动模式,被动模式在第1步中,客户端的命令端口与服务器的命令端口建立连接,并发送命令“PASV”。然后在第2步中,服务器返回命令"PORT N(N为端口号)",告诉客户端(服务器)用哪个端口侦听数据连接。在第3步中,客户端初始化一个从自己的数据端口到服务器端指定的数据端口的数据连接。最后服务器在第4 步中给客户端的数据端口返回一个"ACK"响应。

被动方式的FTP解决了客户端的许多问题,但同时给服务器端带来了更多的问题。最大的问题是需要允许从任意远程终端到服务器高位端口的连接。幸运的是,许多FTP程序允许管理员指定FTP服务器使用的端口范围。

另外客户端有的支持被动模式,有的不支持被动模式,必须考虑如何能支持这些客户端,以及为他们提供解决办法。例如,Solaris提供的FTP命令行工具就不支持被动模式,需要第三方的FTP客户端,比如ncftp。
传输和控制采用独立的连接方式具有以下三方面的优点:
1.使FTP协议更加简单并且更容易实现,例如控制连接可以直接采用Telnet协议实现,FTP数据连接不会与FTP命令混淆起来;
2.在数据连接结束后,控制连接仍然保留着,它能够在新的传输连接时被使用;
3.发送方与接收方在所有的数据都到达时可以在数据连接上用文件结束来通知另一方,从而达到命令传输的功能。
匿名FTP的用途:

从前面的讲解可知,使用FTP时必须首先利用Telnet协议登录,获得远程主机相应的权限,才能上传和下载文件。
本地主机必须具有用户ID和口令,获得远程计算机的适当授权,否则便无法传送文件,Internet上的FTP主机很多,不可能要求每个用户在每一台主机上拥有帐号。
匿名FTP无需本地主机成为远程计算机的注册用户,从而解决了这个问题。

FTP的传输有两种方式:ASCII传输模式和二进制数据传输模式。
1.ASCII传输方式:假定用户正在拷贝的文件包含的简单ASCII码文本,如果在远程机器上运行的不是UNIX,当文件传输时ftp通常会自动地调整文件的内容以便于把文件解释成另外那台计算机存储文本文件的格式。

但是常常有这样的情况,用户正在传输的文件包含的不是文本文件,它们可能是程序,数据库,字处理文件或者压缩文件(尽管字处理文件包含的大部分是文本,其中也包含有指示页尺寸,字库等信息的非打印字符)。在拷贝任何非文本文件之前,用binary 命令告诉ftp逐字拷贝,不要对这些文件进行处理,这也是下面要讲的二进制传输。


2.二进制传输模式:在二进制传输中,保存文件的位序,以便原始和拷贝的是逐位一一对应的。即使目的地机器上包含位序列的文件是没意义的。例如,macintosh以二进制方式传送可执行文件到Windows系统,在对方系统上,此文件不能执行。

  如果你在ASCII方式下传输二进制文件,即使不需要也仍会转译。这会使传输稍微变慢 ,也会损坏数据,使文件变得不能用。(在大多数计算机上,ASCII方式一般假设每一字符的第一有效位无意义,因为ASCII字符组合不使用它。如果你传输二进制文件,所有的位都是重要的。)如果你知道这两台机器是同样的,则二进制方式对文本文件和数据文件都是有效的。

2、TFTP(简单文件传输协议(Trivial File Transfer Protocol))

是一个TCP/IP协议族中一个很小且易于实现的文件传送协议。TFTP也是使用客户服务器方式,但它使用UDP数据报,因此TFTP需要有自己的差错改正措施。
不提供目录浏览的功能,它只能完成文件的发送和接收操作。

TFTP的主要特点是:
(1)每次传送的数据PDU中有512字节的数据,但最后一次可不足512字节。

(2)数据PDU也称为文件块(block),每个块按序编号,从1开始。

(3)支持ASCII码或二进制传送。

(4)可对文件进行读或写。

(5)使用很简单的首部。

(6)TFTP只支持文件传输而不支持交互;

(7)TFTP没有一个庞大的命令集;

(8)没有列目录的功能;

(9)也不能对用户进行身份鉴别。
TFTP的工作很像停止等待协议。例如:
(1)发送完一个文件块后就等待对方的确认,确认时应指明所确认的块编号。

(2)发完数据后在规定时间内收不到确认就要重发数据PDU。

(3)发送确认PDU的一方若在规定时间内收不到下一个文件块,也要重发确认PDU。这样就可保证文件的传送不致因某一个数据报的丢失而告失败。

TFTP在一开始工作时,客户进程发送一个读请求PDU或写请求PDU给TFTP服务器进程,其熟知端口号码为69。
TFTP服务器进程要选择一个新的端 口和TFTP客户进程进行通信。若文件长度恰好为512字节的整数倍,则在文件
传送完毕后,还必须在最后发送一个只含首部而无数据的数据PDU;若文件长 度不是512字节的整数倍,则最后
传送数据PDU的数据字段一定不满512字节,这正好可作为文件结束的标志。

3、TFTP与FTP区别介绍

1.FTP 是完整、面向会话、常规用途文件传输协议。而 TFTP 用作 bones bare - 特殊目的文件传输协议。
2.交互使用 FTP。 TFTP 允许仅单向传输的文件。
3.FTP 提供身份验证。而TFTP 不。
4.FTP 使用已知 TCP 端口号: 20 的数据和 21 用于连接对话框。 TFTP 用于 UDP 端口号 69 其文件传输活动。
5.因为 TFTP 不支持验证 WindowsNT ,所以FTP 服务器服务不支持 TFTP。
6.FTP 依赖于 TCP,是面向连接并提供可靠的控件。 TFTP 依赖 UDP,需要减少开销, 几乎不提供控件。

邮件服务:SMTP、POP3、IMAP

1、SMTP(简单邮件传输协议 (Simple Mail Transfer Protocol))

是一种基于文本的电子邮件传输协议,是在因特网中用于在邮件服务器之间交换邮件的协议。SMTP是应用层的服务,可以适应于各种网络系统。
SMTP要经过建立连接、传送邮件和释放连接3个阶段。具体为:

(1)建立TCP连接。
(2)客户端向服务器发送HELO命令以标识发件人自己的身份,然后客户端发送MAIL命令。
(3)服务器端以OK作为响应,表示准备接收。
(4)客户端发送RCPT命令。
(5)服务器端表示是否愿意为收件人接收邮件。
(6)协商结束,发送邮件,用命令DATA发送输入内容。
(7)结束此次发送,用QUIT命令退出。

SMTP服务器基于DNS中的邮件交换(MX)记录路由电子邮件。电子邮件系统发邮件时是根据收信人的地址后缀来定位邮件服务器的。SMTP通过用户代理程序(UA)完成邮件的编辑、收取和阅读等功能;通过邮件传输代理程序(MTA)将邮件传送到目的地。

2、POP3(邮局协议版本3(Post Office Protocol - Version 3))

本协议主要用于支持使用客户端远程管理在服务器上的电子邮件。提供了SSL加密的POP3协议被称为POP3S。

POP 协议支持“离线”邮件处理。其具体过程是:邮件发送到服务器上,电子邮件客户端调用邮件客户机程序以连接服务器,并下载所有未阅读的电子邮件。这种离线访问模式是一种存储转发服务,将邮件从邮件服务器端送到个人终端机器上,一般是PC机或 MAC。一旦邮件发送到 PC 机或MAC上,邮件服务器上的邮件将会被删除。但目前的POP3邮件服务器大都可以“只下载邮件,服务器端并不删除”,也就是改进的POP3协议。

3、IMAP(邮件访问协议(Internet Mail Access Protocol,Internet))

以前称作交互邮件访问协议(Interactive Mail Access Protocol)。IMAP是斯坦福大学在1986年开发的一种邮件获取协议。它的主要作用是邮件客户端(例如MS Outlook Express)可以通过这种协议从邮件服务器上获取邮件的信息,下载邮件等

总结

SMTP和POP3以及IMAP都是用来做什么的,简单的来说,smtp主要负责发,pop3和imap主要负责收。
一封邮件的发&收的流程是通过SMTP进行发送,使用POP3或者IMAP4进行接收的。

网络管理:SNMP(简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol))

在大型网络管理中,网络管理员比较头痛的问题就是如何实时了解不在身边的网络设备的运行状况。若要一台一台的去查看网络设备的运行现状,那明显不是很现实。实际网络中,利用SNMP协议自动帮助管理员收集网络运行状况的方法应用最为广泛。通过这种方法,网络管理员只需要坐在自己的位置上,就可以了解全公司的网络设备的运行情况。有了这个简单网络管理协议(SNMP),网络管理员可以很方便的在SNMP Agent和NMS之间交换管理信息。SNMP的主要作用就是帮助企业网络管理人员更方便的了解网络性能、发现并解决网络问题、规划网络的未来发展。

3个作用
1、了解网络状态和情况(监控网络的运行状态。网管软件,基于snmp协议,得到全网的拓扑,以及运行状态,各个设备是否正常,cpu压力,内存压力,接口带宽跑到百分之多少,在线用户多少。技术角度,工作更方便,商务角度,给领导汇报工作比较直观。)
2、及时发现网络故障(故障发现,某个设备,发生问题,不管是否影响使用,设备用snmp主动通知网管软件的服务器,网管软件用邮件微信短信通知管理员,及时发现问题。)
3、跨三层取mac。

远程登录:Telnet、SSH

1、Telnet(电信网络协议(Telecom Munication Network Protocol))

是Internet远程登录服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。

用途
Telnet是Internet远程登录服务的标准协议和主要方式,最初由ARPANET开发,现在主要用于Internet会话,它的基本功能是允许用户登录进入远程主机系统。

Telnet可以让我们坐在自己的计算机前通过Internet网络登录到另一台远程计算机上,这台计算机可以是在隔壁的房间里,也可以是在地球的另一端。当登录上远程计算机后,本地计算机就等同于远程计算机的一个终端,我们可以用自己的计算机直接操纵远程计算机,享受远程计算机本地终端同样的操作权限。
Telnet的主要用途就是使用远程计算机上所拥有的本地计算机没有的信息资源,如果远程的主要目的是在本地计算机与远程计算机之间传递文件,那么相比而言使用FTP会更加快捷有效。

安全隐患
虽然Telnet较为简单实用也很方便,但是在格外注重安全的现代网络技术中,Telnet并不被重用。原因在于Telnet是一个明文传送协议,它将用户的所有内容,包括用户名和密码都明文在互联网上传送,具有一定的安全隐患,因此许多服务器都会选择禁用Telnet服务。如果我们要使用Telnet的远程登录,使用前应在远端服务器上检查并设置允许Telnet服务的功能。

2、SSH

Secure Shell(SSH) 是由 IETF(The Internet Engineering Task Force) 制定的建立在应用层基础上的安全网络协议。它是专为远程登录会话(甚至可以用Windows远程登录Linux服务器进行文件互传)和其他网络服务提供安全性的协议,可有效弥补网络中的漏洞。通过SSH,可以把所有传输的数据进行加密,也能够防止DNS欺骗和IP欺骗。还有一个额外的好处就是传输的数据是经过压缩的,所以可以加快传输的速度。目前已经成为Linux系统的标准配置。

SSH只是一种协议,存在多种实现,既有商业实现,也有开源实现。本文主要介绍OpenSSH免费开源实现在Ubuntu中的应用,如果要在Windows中使用SSH,需要使用另一个软件PuTTY。

SSH的安全机制
SSH之所以能够保证安全,原因在于它采用了非对称加密技术(RSA)加密了所有传输的数据。

传统的网络服务程序,如FTP、Pop和Telnet其本质上都是不安全的;因为它们在网络上用明文传送数据、用户帐号和用户口令,很容易受到中间人(man-in-the-middle)攻击方式的攻击。就是存在另一个人或者一台机器冒充真正的服务器接收用户传给服务器的数据,然后再冒充用户把数据传给真正的服务器。

但并不是说SSH就是绝对安全的,因为它本身提供两种级别的验证方法:

第一种级别(基于口令的安全验证):只要你知道自己帐号和口令,就可以登录到远程主机。所有传输的数据都会被加密,但是不能保证你正在连接的服务器就是你想连接的服务器。可能会有别的服务器在冒充真正的服务器,也就是受到“中间人攻击”这种方式的攻击。

第二种级别(基于密钥的安全验证):你必须为自己创建一对密钥,并把公钥放在需要访问的服务器上。如果你要连接到SSH服务器上,客户端软件就会向服务器发出请求,请求用你的密钥进行安全验证。服务器收到请求之后,先在该服务器上你的主目录下寻找你的公钥,然后把它和你发送过来的公钥进行比较。如果两个密钥一致,服务器就用公钥加密“质询”(challenge)并把它发送给客户端软件。客户端软件收到“质询”之后就可以用你的私钥在本地解密再把它发送给服务器完成登录。与第一种级别相比,第二种级别不仅加密所有传输的数据,也不需要在网络上传送口令,因此安全性更高,可以有效防止中间人攻击。

网络服务:HTTP、HTTPS、DNS、SSL

1、HTTP(超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol))

基于TCP的应用层协议,它不关心数据传输的细节,主要是用来规定客户端和服务端的数据传输格式,最初是用来向客户端传输HTML页面的内容。默认端口是80。

2、HTTPS

HTTPS是HTTP协议的安全版本,HTTP协议的数据传输是明文的,是不安全的,HTTPS使用了SSL/TLS协议进行了加密处理。

3、DNS(域名命名系统(Domain Name System))

是一个层次化、分布式域名系统,为接入互联网的设备提供服务。它关联域名到ip上,提供将域名转化为ip的服务
作用非常简单,就是根据域名查出IP地址。你可以把它想象成一本巨大的电话本。

域名(domain)由ascii码的子集组成,可含字符a-z,A-Z,0-9或-。域名具有层次结构,最右边为顶级域名,然后为子域名…所有域名组成的域名空间可以被表示成树形结构,每个节点含有该域名对应的资源记录(resource record)信息。比如一种A记录,记录着域名和ip地址的映射关系。一个或多个域名被划分为一个zone(区域),每个zone都会委派一个域名服务器(name server)管理这些域名。

举例来说,如果你要访问域名math.stackexchange.com,首先要通过DNS查出它的IP地址是151.101.129.69。

DNS服务器根据域名的层级,进行分级查询。
需要明确的是,每一级域名都有自己的NS记录,NS记录指向该级域名的域名服务器。这些服务器知道下一级域名的各种记录。
所谓"分级查询",就是从根域名开始,依次查询每一级域名的NS记录,直到查到最终的IP地址

4、SSL(安全套接层(Secure Sockets Layer))

SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层),及其继任者传输层安全(Transport Layer Security,TLS)是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议。TLS与SSL在传输层对网络连接进行加密。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间,为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层: SSL记录协议(SSL Record Protocol):它建立在可靠的传输协议(如TCP)之上,为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议(SSL Handshake Protocol):它建立在SSL记录协议之上,用于在实际的数据传输开始前,通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

提供服务

1)认证用户和服务器,确保数据发送到正确的客户机和服务器;
2)加密数据以防止数据中途被窃取;
3)维护数据的完整性,确保数据在传输过程中不被改变。

SSL协议提供的安全通道有以下三个特性:

机密性:SSL协议使用密钥加密通信数据。
可靠性:服务器和客户都会被认证,客户的认证是可选的。
完整性:SSL协议会对传送的数据进行完整性检查。

其他应用协议(流媒体、QQ、P2P、迅雷等私有协议)

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