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6.2 文件传送协议FTP(File Transfer Protocol)
6.2.1 FTP概述
6.2.2 FTP的基本工作原理
6.5 电子邮件#xff1a;SMTP、POP3、IMAP
6.5.1 电子邮件概述
6.5.2 发邮件#xff1a;简单邮件传送协议SMTP
6.5.3 电子邮件的信息格式、地址格式
6.5.4 收…目录
6.2 文件传送协议FTP(File Transfer Protocol)
6.2.1 FTP概述
6.2.2 FTP的基本工作原理
6.5 电子邮件SMTP、POP3、IMAP
6.5.1 电子邮件概述
6.5.2 发邮件简单邮件传送协议SMTP
6.5.3 电子邮件的信息格式、地址格式
6.5.4 收邮件邮局协议POP、因特网邮件访问协议IMAP
6.5.5 基于万维网的电子邮件
6.6 动态主机配置协议DHCP((Dynamic Host Configuration Protocol))
6.6.1 DHCP的作用
6.6.2 DHCP的基本工作原理
6.6.3 DHCP中继代理(relay agent) 6.2 文件传送协议FTP(File Transfer Protocol)
6.2.1 FTP概述 文件传送将某台计算机中的文件通过网络传送到可能相距很远的另一台计算机中网络环境中的一项基本应用 问题引入初看起来在两个主机之间传送文件是很简单的事情。其实这往往非常困难原因是众多的计算机厂商研制出的文件系统多达数百种且差别很大。网络环境下传送文件的复杂性 计算机存储数据的格式不同文件的目录结构和文件命名的规定不同对于相同的文件存取功能操作系统使用的命令不同访问控制方法不同解决方案文件传送协议FTP见下 文件传送协议FTP因特网上使用得最广泛的文件传送协议。 FTP提供交互式的访问允许客户指明文件的类型与格式如指明是否使用ASCII码并允许文件具有存取权限如访问文件的用户必须经过授权并输入有效的口令。FTP屏蔽了各计算机系统的细节减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件。在因特网发展的早期阶段用FTP传送文件约占整个因特网的通信量的三分之一而由电子邮件和域名系统所产生的通信量还要小于FTP所产生的通信量。只是到了1995年万维网WWW的通信量才首次超过了FTP。 应用FTP使用客户/服务器方式。因特网上的FTP客户计算机可将各种类型的文件上传到FTP服务器计算机也可以从FTP服务器计算机下载文件。根据应用需求的不同FTP服务器计算机可能需要一台高性能和高可靠性的服务器计算机也可能只需要一台普通的个人计算机即可。 Step1在FTP服务器计算机中创建FTP服务器 可以使用第三方的FTP服务器软件也可以使用操作系统自带的FTP服务器软件例如在Windows系统中使用其自带的FTP服务器功能创建一个FTP服务器站点自行上网查找学习。Step2在FTP客户计算机中访问FTP服务器 访问方式1使用浏览器软件注此处使用的是文件传送协议FTP而不是浏览器最常用的超文本传输协议HTTP 访问方式2使用Windows系统自带的命令行工具命令行方式需要用户记住相关命令这对普通用户而言并不友好 访问方式3使用第三方的FTP客户工具软件无需记住FTP客户端工具命令操作简单 6.2.2 FTP的基本工作原理 主动模式建立数据通道时FTP服务器主动连接FTP客户 控制连接FTP服务器监听熟知端口号21FTP客户随机选择一个临时端口号与其建立TCP连接即建立命令通道。这条TCP连接用于FTP客户与服务器之间传送FTP相关的控制命令是客户与服务器之间的命令通道。数据连接当有数据要传输时FTP客户通过命令通道告知FTP服务器来与自己的另一个临时端口号建立TCP连接即建立数据通道。FTP服务器使用自己的熟知端口号20与其建立TCP连接。这条TCP连接用于FTP客户与服务器之间传送文件是客户与服务器之间的数据通道。 被动模式建立数据通道时FTP服务器被动等待FTP客户的连接 控制连接与“主动模式”相同数据连接当有数据要传输时FTP客户通过命令通道告知FTP服务器开启某个临时端口被动等待TCP连接即建立数据通道。FTP客户随机选择另一个临时端口号与FTP服务器提前协商的临时端口建立TCP连接。 FTP连接方式 控制连接 端口号FTP客户使用临时端口号FTP服务器使用标准端口号21时间在整个会话期间一直保持打开作用传送FTP相关控制命令数据连接 端口号FTP客户使用临时端口号FTP服务器使用标准端口号20主动模式或临时端口号被动模式时间在每次文件传输时才建立传输结束就关闭作用传输文件上传、下载数据
FTP传输模式 文本模式ASCII模式以文本序列传输数据二进制模式Binary模式以二进制序列传输数据使用两个不同端口号的好处 使协议更加简单和更容易实现在传输文件时还可以利用控制连接例如客户发送请求终止传输 6.5 电子邮件SMTP、POP3、IMAP
6.5.1 电子邮件概述 问题引入传统的电话通信属于实时通信存在以下两个缺点 电话通信的主叫和被叫双方必须同时在场一些不是十分紧迫的电话也常常不必要地打断人们的工作或休息解决方案电子邮件(E-mail)因特网上最早流行的一种应用并且仍然是当今因特网上最重要、最实用的应用之一 主要构件 用户代理UA(User Agent)用户与电子邮件系统的接口是电子邮件客户端软件 功能撰写、显示、处理和通信邮件服务器电子邮件系统的基础设施QQ邮件服务器、Google邮件服务器 功能发送和接收邮件、维护用户的邮箱、向发信人报告邮件传送的情况已交付、被拒绝、丢失等注1邮件服务器按照客户/服务器方式工作。注2邮件服务器必须能够同时充当客户和服务器。注3我们可以简单地认为邮件服务器中有很多邮箱和用于缓存待转发邮件的缓存。电子邮件所需的协议 邮件发送协议(SMTP)发送方用户代理到发送方邮件服务器、发送方邮件服务器到接收方邮件服务器邮件读取协议(POP3/IMAP)接收方用户代理到接收方邮件服务器注SMTP、POP3和IMAP都是使用TCP连接来传送邮件的目的是为了可靠地传送邮件。 工作原理简述电子邮件与邮政系统的寄信相似 Step1发件人 使用用户代理 通过邮件发送协议 将邮件发送到发送方邮件服务器Step2发送方邮件服务器 同样 通过邮件发送协议 将收到的邮件按其目的地址转发到 接收方邮件服务器Step3收件人在方便的时候 使用用户代理 通过邮件读取协议 从接收方邮件服务器中读取邮件 优点 使用方便、传递迅速、费用低廉可以传送多种类型的信息文字、声音、图像等由于电子邮件的广泛使用现在许多国家已经正式取消了电报业务。在我国电信局的电报业务也因电子邮件的普及而濒临消失。
6.5.2 发邮件简单邮件传送协议SMTP 以发送方邮件服务器 使用SMTP协议 给接收方邮件服务器 发送待转发邮件为例发送方邮件服务器周期性扫描邮件缓存如果发现有待转发的邮件则发送方邮件服务器中的SMTP客户会与接收方邮件服务器中的SMTP服务器进行TCP连接端口号为25。之后SMTP客户就会基于这条TCP连接给SMTP服务器发送SMTP命令共14条SMTP服务器也会给SMTP客户发送相应的SMTP应答共21种。SMTP客户与服务器通过命令与应答的交互方式最终实现SMTP客户发送邮件给SMTP服务器。下面简述一下该过程当TCP连接建立成功后
Step1SMTP服务器 主动推送服务就绪应答 给SMTP客户 应答代码220后面可能跟有描述信息比如网易邮件服务器给出的描述信息如下 Step2.1(命令)SMTP客户(收到应答后)向服务器 表明身份告知自己SMTP服务器的域名 具体命令HELO 命令参数(域名)Step2.2(应答)SMTP服务器对SMTP客户的身份进行鉴定 身份有效发回应答代码250身份无效发回其他代码(如421表示服务不可用) Step3.1(命令)SMTP客户(收到应答后)向服务器 告知邮件来自何方 具体命令MAIL FROM: 发件人邮箱Step3.2(应答)SMTP服务器对邮件来源进行鉴定 合理发回应答代码250不合理发回其他错误代码 Step4.1(命令)SMTP客户(收到应答后)向服务器 告知邮件去往何地 具体命令RCPT TO: 收件人邮箱Step4.2(应答)SMTP服务器对邮件去处进行鉴定 收件人邮箱存在发回应答代码250收件人邮箱不存在发回其他错误代码 Step5.1(命令)SMTP客户(收到应答后)向服务器 告知准备发送邮件内容 具体命令DATAStep5.2(应答)SMTP服务器是否准备好接收 已准备好发回应答代码354没准备好发回其他错误代码 Step6.1SMTP客户(收到应答后)向服务器 发送邮件内容 注SMTP客户发送完邮件内容后还要发送结束符Step6.2(应答)SMTP服务器是否收件成功 成功发回应答代码250失败发回其他错误代码 Step7.1(命令)SMTP客户(收到应答后)向服务器 请求断开连接 具体命令QUITStep7.2(应答)SMTP服务器接受请求并主动断开连接应答代码221 注意 为了简单起见省略了可能存在的认证过程为了简单起见还省略了应答代码后面一般都跟随简单的描述信息不同的SMTP服务器给出的相同应答代码的描述信息可能不同 6.5.3 电子邮件的信息格式、地址格式 电子邮件的信息格式 电子邮件的信息格式并不是由SMTP定义的而是在RFC 822中单独定义的。这个RFC文档已在2008年更新为RFC 5322。一个电子邮件有信封和内容两部分而内容又由首部和主体两部分构成。 信封(envelope)用户写好首部后邮件系统会自动将信封所需的信息提取出来并写在信封上。因此用户无需填写电子邮件信封上的信息。内容(content)RFC 5322只规定了邮件内容中的首部格式而对邮件的主体部分则让用户自由撰写。 首部(header)关键字 冒号 From后面填入发件人的电子邮件地址一般由邮件系统自动填入To后面填入一个或多个收件人的电子邮件地址用户只需打开地址簿点击收件人名字收件人的电子邮件地址就会自动地填入到合适的位置上Cc后面填入一个或多个收件人以外的抄送人的电子邮件地址抄送人收到邮件后可看可不看邮件可回可不回邮件Subject后面填入邮件的主题反映了邮件的主要内容便于用户查找邮件Date发信人的发信日期Reply-To对方回信所用的地址。注最重要的关键字为To和Subject往往是必填选项。主体(body)用户想传递给收件人的核心信息 电子邮件的地址格式 TCP/IP 体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下 xiexirentsinghua.org.cn 收件人邮箱名这个用户名在该域名的范围内是唯一的读作“at”表示“在”的意思邮箱所在的主机的域名在全世界必须是唯一的 MIMEMultipurpose Internet Mail Extensions 问题引入SMTP协议只能传送ASCII码文本数据不能传送可执行文件或其他的二进制对象。也就是说SMTP不能满足传送多媒体邮件例如带有图片、音频或视频数据的需要并且许多其他非英语国家的文字例如中文、俄文、甚至带有重音符号的法文或德文也无法用SMTP传送。解决方案多用途因特网邮件扩展/通用互联网邮件扩充MIMEMultipurpose Internet Mail Extensions 增加了5个新的邮件首部字段这些字段提供了有关邮件主体的信息。定义了许多邮件内容的格式对多媒体电子邮件的表示方法进行了标准化。定义了传送编码可对任何内容格式进行转换而不会被邮件系统改变。注实际上MIME不仅仅用于SMTP也用于后来的同样面向ASCII字符的HTTP。 6.5.4 收邮件邮局协议POP、因特网邮件访问协议IMAP 到目前为止我们已经介绍完了涉及邮件发送的相关内容。接下来我们将介绍涉及邮件读取的相关内容。常用的邮件读取协议有以下两个 邮局协议POP(Post Office Protocol)POP3是其第三个版本是因特网正式标准。 优点非常简单缺点功能有限 用户只能以下载并删除方式或下载并保留方式从邮件服务器下载邮件到用户方计算机。用户不能在邮件服务器上管理自己的邮件例如创建文件夹对邮件进行分类管理等。下载并删除方式下载到本地同时删除服务器备份下载并保留方式下载到本地同时保留服务器备份 因特网邮件访问协议IMAP(Internet Message Access Protocol)IMAP4是其第四个版本目前还只是因特网建议标准。 优点功能强大 用户在自己的计算机上就可以操控邮件服务器中的邮箱就像在本地操控一样因此IMAP是一个联机协议。 注1POP3和IMAP4都采用基于TCP连接的客户/服务器方式。POP3使用熟知端口110IMAP4使用熟知端口143。注2有关POP3协议和IMAP4协议的具体内容有兴趣的同学可自行查阅相关资料此处不再深入介绍。
6.5.5 基于万维网的电子邮件
问题引入用户代理(UA)的缺点 传统的电子邮件系统必须在计算机中安装用户代理软件但有些计算机可能不能安装或不允许安装。因此不方便收发邮件。解决方案万维网电子邮件的优点 基于万维网的电子邮件系统无需在计算机中安装用户代理软件只需通过万维网浏览器登录(提供用户名和口令)邮件服务器万维网网站就可以撰写、收发、阅读和管理电子邮件。邮件服务器网站通常都提供非常强大和方便的邮件管理功能用户可以在邮件服务器网站上管理和处理自己的邮件而不需要将邮件下载到本地进行管理。Case1发送方(用户A)和接收方(用户B)使用同一邮件服务器 发送、接收电子邮件时使用HTTP协议无需使用SMTP和POP3协议 Case2发送方(用户A)和接收方(用户B)使用不同邮件服务器 发送、接收电子邮件时使用HTTP协议两个邮件服务器之间传送邮件时使用SMTP协议 6.6 动态主机配置协议DHCP((Dynamic Host Configuration Protocol)) 协议配置在协议软件中给协议参数赋值的动作 一个协议软件在使用之前必须是已正确配置的。连接到互联网的计算机的协议软件需要配置的参数包括 IP地址子网掩码默认路由器的IP地址域名服务器的IP地址这些信息通常存储在一个配置文件中计算机在引导过程中可以对这个文件进行存取。 6.6.1 DHCP的作用 问题引入如图所示如何配置用户主机才能使用户主机正常访问Web服务器 解决方案需要给网络中的各主机正确配置IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等网络相关配置信息。 手动配置(静态地址)如果网络中的主机数量较多则手工配置的工作量较大且易于出错 DHCP动态配置(动态地址)互联网广泛使用的动态主机配置协议 DHCP提供了即插即用连网(plug-and-play networking)的机制。 Step1给网络添加一台DHCP服务器在该服务器中设置好可为网络中其他各主机配置的网络配置信息。Step2网络中各主机开机后自动启动DHCP程序向DHCP服务器请求自己的网络配置信息。 使用场景 静态地址 服务器机房台式机 第1排台式机 192.168.0.11、192.168.0.12、192.168.0.13第2排台式机 192.168.0.21、192.168.0.22、192.168.0.23第3排台式机 192.168.0.31、192.168.0.32、192.168.0.33优点便于老师的管理、方便学生之间的访问只需看位置而无需刻意记住IP地址动态地址 移动接入设备(笔记本电脑)学生带着笔记本电脑来教室上课每间教室的每个位置上都有网线 202教室数据结构192.168.202.0/24204教室计算机网络课192.168.204.0/24当学生在202教室上数据结构课时必须获得192.168.202.0/24网段的地址当学生在204教室上计算机网络课时必须获得192.168.204.0/24网段的地址。由于两个教室所处的网段不同因此不能给笔记本电脑使用静态地址。如果所有的学生来到教室都自己手动配置静态地址极大可能会造成地址冲突。无线设备(手机、平板) 酒店、咖啡厅等公共场所的WiFi网络基站 → 4G网络、5G网络 6.6.2 DHCP的基本工作原理 DHCP是TCP/IP协议体系应用层中的协议它使用运输层的UDP所提供的服务即DHCP报文在运输层会被封装成为UDP用户数据报。DHCP服务器使用的UDP端口为67DHCP客户使用的UDP端口为68。 假设网络中有两台DHCP服务器和多台用户主机为了简单而有效地描述DHCP的工作过程下面仅画出网络中的这两台DHCP服务器和一台用户主机。下面我们来分析DHCP客户和DHCP服务器的交互过程DHCP发现报文(DISCOVER) → DHCP提供报文(OFFER) → DHCP请求报文(REQUEST) → DHCP确认报文(ACK) Step1当用户主机启动DHCP后DHCP客户将广播发送DHCP发现报文 源IP地址0.0.0.0主机目前还未分配到IP地址目的IP地址255.255.255.255广播地址 → 主机目前并不知道网络中有哪几个DHCP服务器DHCP发现报文格式只需知道其内部封装有事务ID和HDCP客户端的MAC地址即可DHCP报文的格式比较复杂注由于DHCP发现报文为广播的数据报因此网络中的所有设备都会收到该IP数据报并对其层层解封得到封装有DHCP发现报文的UDP用户数据报。 DHCP客户应用层没有监听目的端口67的进程即DHCP服务器进程。因此运输层无法向应用层交付DHCP发现报文只能丢弃DHCP服务器应用层始终运行着DHCP服务器进程因此会接受DHCP发现报文并做出响应。 Step2DHCP服务器收到DHCP发现报文后根据其中封装的DHCP客户端的MAC地址来查找自己的数据库看是否有针对该MAC地址的配置信息。若有则使用现有的配置信息来构建并发送DHCP提供报文若没有使用默认的配置信息来构建并发送DHCP提供报文 源IP地址DHCP服务器的IP地址目的IP地址255.255.255.255广播地址 → 主机目前还没有配置IP地址为了使主机可以收到只能发送广播DHCP提供报文格式只需知道其内部封装有事务ID和配置信息IP地址、子网掩码、地址租期、默认网关、DNS服务器等即可 DHCP服务器从自己的IP地址池(address pool)中挑选待租用IP地址给主机时会使用ARP来确保所选的IP地址未被网络中其他主机占用。注由于DHCP提供报文为广播的数据报因此网络中的所有设备都会收到该IP数据报并对其层层解封得到封装有DHCP发现报文的UDP用户数据报。 DHCP服务器应用层没有监听目的端口68的进程即DHCP客户进程。因此运输层无法向应用层交付DHCP提供报文只能丢弃DHCP客户应用层始终运行着DHCP客户进程因此会接受DHCP提供报文并做出相应处理。 Step3.1DHCP客户收到DHCP提供报文后根据其中的事务ID来判断该报文是否是自己所请求的报文。换句话说判断DHCP提供报文的事务ID和之前发送的DHCP发现报文的事务ID是否一致。 一致接受该DHCP提供报文不一致丢弃该DHCP提供报文Step3.2DHCP客户会收到多个DHCP服务器发来的DHCP提供报文DHCP客户从中选择一个一般来说选择先到的那个并向所选择的DHCP服务器发送DHCP请求报文 源IP地址0.0.0.0此时DHCP客户才从多个DHCP服务器中挑选一个作为自己的DHCP服务器首先需要征得该服务器的同意之后才能正式使用向该DHCP服务器租用的IP地址目的IP地址255.255.255.255广播地址 → 无需向网络中的每一个DHCP服务器单播发送DHCP请求报文来告知它们是否请求它们作为自己的DHCP服务器DHCP请求报文格式事务ID、HDCP客户端的MAC地址、接受的租约中的IP地址、提供此租约的DHCP服务器端的IP地址等注假设DHCP客户选择DHCP服务器1作为自己的DHCP服务器并且DHCP服务器1接受该请求 Step4DHCP服务器1收到DHCP请求报文后给DHCP客户发送DHCP确认报文 源IP地址DHCP服务器1的IP地址目的IP地址255.255.255.255广播地址 Step5DHCP客户收到DHCP确认报文后就可以使用所租用到的IP地址 在使用租用到的IP地址之前主机还会使用ARP检测所分配到的IP地址是否已被网络中其他主机占用 若被占用给DHCP服务器发送DHCP谢绝报文撤销IP地址租约并重新发送DHCP发现报文若未被占用可以使用租约中的IP地址与网络中其他主机通信了 Step6当租用期超过一半时DHCP客户会向DHCP服务器发送DHCP请求报文请求更新租用期 源IP地址租用的IP地址目的IP地址DHCP服务器1的IP地址Case1若DHCP服务器同意则发回DHCP确认报文此时DHCP客户得到新的租用期Case2若DHCP服务器不同意则发回DHCP否认报文此时DHCP客户需要立即停止使用之前租用的IP地址并重新发送DHCP发现报文来重新申请IP地址Case3若DHCP服务器不响应则“见Step7”Step7非必须当租用期超过87.5%时DHCP客户必须重新发送DHCP请求报文继续等待DHCP服务器可能做出的反应。 Case1同上Case2同上Case3若DHCP服务器不响应则当租用期到期后DHCP客户必须立即停止之前租用的IP地址并重新发送DHCP发现报文来重新申请IP地址注DHCP客户可以随时提前终止DHCP服务器所提供的租用期此时只需向DHCP服务器发送DHCP释放报文即可 租用期(lease period)DHCP服务器分配给DHCP客户的IP地址是临时的因此DHCP客户只能在一段有限的时间内使用这个分配到的IP地址。 租用期的数值应由DHCP服务器自己决定。DHCP客户也可在自己发送的报文中例如发现报文提出对租用期的要求。 DHCP工作过程图解 6.6.3 DHCP中继代理(relay agent) 问题引入如图所示黄色背景内的各主机能否通过DHCP自动获取到IP地址等网络配置信息吗显然不能因为该网络中的主机广播发送DHCP发现报文但该广播报文不会被路由器转发而是丢弃。 解决方案给路由器配置DHCP服务器的IP地址并使之成为DHCP中继代理。 当DHCP中继代理即路由器收到广播的DHCP发现报文后会将其单播转发给DHCP服务器并等待其回答。当DHCP中继代理即路由器收到DHCP服务器回答的提供报文后会将此提供报文发回给主机。DHCP客户和DHCP服务器通过该路由器的后续交互过程同“6.6.2”此处不再赘述。 注使用DHCP中继代理的原因是我们并不愿意在每一个网络上都设置一个DHCP服务器因为这样会使得DHCP服务器的数量太多。
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