拿下计网协议后，我就是公园里最靓的仔（四）

DNS 缓存

DNS 缓存(DNS caching) 有时也叫做 DNS 解析器缓存，它是由操作系统维护的临时数据库，它包含有最近的网站和其他 Internet 域的访问记录。也就是说， DNS 缓存只是计算机为了满足快速的响应速度而把已加载过的资源缓存起来，再次访问时可以直接快速引用的一项技术和手段。那么 DNS 的缓存是如何工作的呢？

DNS 缓存的工作流程

在浏览器向外部发出请求之前，计算机会拦截每个请求并在 DNS 缓存数据库中查找域名，该数据库包含有最近的域名列表，以及 DNS 首次发出请求时 DNS 为它们计算的地址。

DNS 记录和报文

共同实现 DNS 分布式数据库的所有 DNS 服务器存储了资源记录(Resource Record, RR)，RR 提供了主机名到 IP 地址的映射。每个 DNS 回答报文中会包含一条或多条资源记录。RR 记录用于回复客户端查询。

资源记录是一个包含了下列字段的 4 元组

(Name, Value, Type, TTL)

RR 会有不同的类型，下面是不同类型的 RR 汇总表

DNS 报文

DNS 有两种报文，一种是查询报文，一种是响应报文，并且这两种报文有着相同的格式，下面是 DNS 的报文格式

下面对报文格式进行解释

• 前 12 个报文是 首部区域，也就是说首部区域有 12 个字节，第一个字段（标识符）是一个 16 比特的数，用于标示该查询。这个标识符会被复制到对查询的回答报文中，以便让客户用它来匹配发送的请求和接受到的回答。标志字段含有若干标志，标志字段表示为 1 比特，它用于指出报文是 0-查询报文还是 1-响应报文。
  
• 问题区域包含着正在进行的查询信息。这个区域包括：1) 名字字段，包含正在被查询的主机名字；2) 类型字段，指出有关该名字的正被询问的问题类型，例如主机地址是与一个名字相关联（类型 A）还是与某个名字的邮件服务器相关联（类型 MX）。
  
• 在来自 DNS 服务器的回答中，回答区域包含了对最初请求的名字的资源记录。上面说过 DNS RR记录是个四元组，而且元组中的 Type 会有不同的类型。在回答报文的回答区域中可以包含多条 RR，因此一个主机名能够有多个 IP 地址。
  
• 权威区域 包含了其他权威服务器的记录
  
• 附加区域 包含了其他有帮助的记录。
  

关于具体 DNS 记录的详细介绍我会出一篇文章专门探讨。

P2P 文件分发

我们上面探讨的协议 HTTP、SMTP、DNS 都采用了客户-服务器 模式，这种模式会极大依赖总是打开的基础设施服务器。而 P2P 是客户端与客户端模式，对总是打开的基础设施服务器有最小的依赖。

P2P 的全称是 Peer-to-peer, P2P ，是一种分布式体系结构的计算机网络。在 P2P 体系中，所有的计算机和设备都被称为对等体，他们互相交换工作。对等网络中的每个对等方都等于其他对等方。网络中没有特权对等体，也没有主管理员设备。

从某种意义上说，对等网络是计算机世界中最平等的网络。每个对等方都相等，并且每个对等方具有与其他对等方相同的权利和义务。对等体同时是客户端和服务器。

实际上，对等网络中可用的每个资源都是在对等之间共享的，而无需任何中央服务器。P2P 网络中的共享资源可以是诸如处理器使用率，磁盘存储容量或网络带宽等。

P2P 用来做什么

P2P 的主要目标是共享资源并帮助计算机和设备协同工作，提供特定服务或执行特定任务。如前面说到的，P2P 用于共享各种计算资源，例如网络带宽或磁盘存储空间。但是，对等网络最常见的例子是 Internet 上的文件共享。对等网络非常适合文件共享，因为它们允许连接到它们计算机等同时接收文件和发送文件。

BitTorrent  是 P2P 使用的主要协议。

P2P 网络的作用

P2P 网络具有一些使它们有用的特征

• 很难完全掉线，即使其中的一个对等方掉线，其他对等方仍在运行并进行通信。为了使 P2P（对等）网络停止工作，你必须关闭所有对等网络。对等网络具有很强的可扩展性。添加新的对等节点很容易，因为你无需在中央服务器上进行任何中央配置。
• 当涉及到文件共享时，对等网络越大，速度越快。在 P2P 网络中的许多对等点上存储相同的文件意味着当某人需要下载文件时，该文件会同时从多个位置下载。

TELNET

TELNET 又称为远程登录，是一种应用层协议，它为用户提供了在本地机器上就能够操控远程主机工作的能力。例如下面这幅图所示

主机 A 可以直接通过 TELNET 协议访问主机 B。

TELNET 利用 TCP 的一条连接，通过一条连接向主机发送文字命令并在主机上执行。

使用 TELNET 协议进行远程登录时需要满足以下几个条件

• 必须知道远程主机的 IP 地址或者域名
• 必须知道登录标识和口令

TELNET 远程登录一般使用 23 端口

TELNET 的工作过程如下

• 本地主机与远程主机建立连接，这个连接其实是 TCP 连接，用户需要知道指定主机的 IP 地址或者域名
• 与远程主机建立连接后，在本地主机终端上输入的字符都会以 NVT(Net Virtual Terminal) 的形式发送至远程主机，这个过程实际上是发送一个数据包到远程主机。
• 远程主机接受数据包后，产生的输出会以 NVT 的格式发送给本地主机一个数据包，包括输入命令回显和命令执行结果
• 最后，本地主机终端对远程主机撤销链接，这个过程实际上就是 TCP 断开连接的过程。

SSH

TELNET 有一个非常明显的缺点，那就是在主机和远程主机的发送数据包的过程中是明文传输，未经任何安全加密，这样的后果是容易被互联网上不法分子嗅探到数据包来搞一些坏事，为了数据的安全性，我们一般使用 SSH 进行远程登录。

SSH 是加密的远程登录系统。使用 SSH 可以加密通信内容，即使数据包被嗅探和抓取也无法破解所包含的信息，除此之外，SSH 还有一些其他功能

• SSH 可以使用更强的认证机制
• SSH 可以转发文件
• SSH 可以使用端口转发功能

端口转发（Port forwarding）是 SSH 为网络安全通信使用的一种方法。SSH 可以利用端口转发技术来传输其他 TCP/IP 协议的报文，当使用这种方式时，SSH 就为其他服务在客户端和服务器端建立了一条安全的传输管道端口转发是指将特定端口号所收到的消息转发到指定 IP 地址和端口号的一种机制。

FTP

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）是应用层协议之一。FTP 协议包括两个组成部分，分为 FTP 服务器和 FTP 客户端。其中 FTP 服务器用来存储文件，用户可以使用 FTP 客户端通过 FTP 协议访问位于 FTP 服务器上的资源。

由于 FTP 传输效率非常高，一般用来在网络上传输大的文件。

默认情况下 FTP 协议使用 TCP 端口中的 20 和 21 这两个端口，其中 20 用于传输数据，21 用于传输控制信息。FTP TCP 21 端口上进行文件传输时，每次都会建立一个用于数据传输的 TCP 连接，数据传输完毕后，传输数据的这条连接也会被断开，在控制用的连接上继续进行命令或应答的处理。

SMTP

提供电子邮件服务的协议叫做 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)， SMTP 在传输层也使用了 TCP 协议。

早期电子邮件是在发送端主机和接收端主机之间直接建立 TCP 连接。发送方编写好邮件之后会将邮件保存在磁盘中，然后与接受主机建立 TCP 连接，将邮件发送到接受主机的磁盘中。当发送方把邮件发送后，再从本地磁盘中删除邮件。如果接受主机因为特殊情况无法接收，发送端将等待一段时间后重新发送。

这种方法虽然能够保证电子邮件的完整性和有效性，但却不适合当今的互联网，因为早期的电子邮件只能在线发送，这种方式显然不够成熟。

针对于此，提出了邮件服务器的概念。邮件服务器构成了整个邮件系统的核心。每个接收方在其中的邮件服务器上会有一个邮箱(mailbox) 存在。用户的邮箱管理和维护发送给他的报文。

一个典型的邮件发送过程是：从发送方的用户代理开始，传输到发送方的邮件服务器，再传输到接收方的邮件服务器，然后在这里被分发到接收方的邮箱中。用接收方的用户想要从邮箱中读取邮件时，他的邮件服务器会对用户进行认证。如果发送方发送的邮件无法正确交付给接收方的服务器，那么发送方的用户代理会把邮件存储在一个报文队列(message queue)中，并在以后尝试再次发送，通常每 30 分钟发送一次，如果一段时间后还发送不成功，服务器就会删除报文队列中的邮件并以电子邮件的方式通知发送方。

现在你知道了两台邮件服务器邮件发送的大体过程，那么，SMTP 是如何将邮件从 Alice 邮件服务器发送到 Bob 的邮件服务器的呢？主要分为下面三个阶段

• 建立连接：在这一阶段，SMTP 客户请求与服务器的25端口建立一个 TCP 连接。一旦连接建立，SMTP 服务器和客户就开始相互通告自己的域名，同时确认对方的域名。
• 邮件传送：一旦连接建立后，就开始邮件传输。SMTP 依靠 TCP 能够将邮件准确无误地传输到接收方的邮件服务器中。SMTP 客户将邮件的源地址、目的地址和邮件的具体内容传递给 SMTP 服务器，SMTP 服务器进行相应的响应并接收邮件。
• 连接释放：SMTP 客户发出退出命令，服务器在处理命令后进行响应，随后关闭 TCP 连接。

MIME 类型

最一开始，互联网中的电子邮件只能处理文本格式，后来也逐渐扩展为 MIME 类型，我们上面也简单提到了一句 MIME 类型，MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions) 是用途互联网邮件扩展类型。

它是一个互联网标准，扩展了电子邮件标准，使其能够支持很多格式，这些格式如下

• 超文本标记语言文本 .html text/html
• xml文档 .xml text/xml
• 普通文本 .txt text/plain
• PNG图像 .png image/png
• GIF图形 .gif image/gif
• JPEG图形 .jpeg,.jpg image/jpeg
• AVI 文件 .avi video/x-msvideo 等。

后记

文章涵盖了许多应用层协议，包括 HTTP、DNS、SMTP、FTP、TELNET 协议等

这些应用层协议我们在日常工作中都会用到，我们不仅仅是用户，还是程序员，势必要对其进行了解，我给你画了一些图帮助你理解清楚这些协议，简化的背后却是复杂而艰巨的规范标准和开发的复杂。

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