2019-05-26 计算机网络自顶向下方法 第二章

网络应用是计算机网络存在的理由，我们也试图从作为为分布式应用提供联网基础的平台这一角度理解计算机网络；常见的计算机网络应用包括：文本电子邮件、远程访问计算机、文件传输、万维网、搜索、电子商务、语音和视频服务、在线游戏等。

应用层协议原理

研发网络应用的核心是写出能够运行在不同端系统和通过网络彼此通信的程序；值得注意的是，我们不需要写在网络核心设备如路由器或者链路层交换机上运行的软件，即便你要为网络核心设备写应用软件也不需要这样做；网路核心设备并不在应用层工作，而是在较低层起作用，特别是网络层及其以下层次；这种设计方式即将应用程序限制在端系统的方法，促进了大量网络应用程序的迅速研发和部署；

网络应用程序体系结构

应用程序的体系结构不同于网络的体系结构。从应用程序研发者的角度来看，网络体系结构是固定的，并为应用程序提供特定的服务集合；换言之，应用程序体系结构使用应用程序开发设计的，它规定了在端系统上如何组织应用程序。两种常见的现代网络应用程序所采用的体系结构为：客户-服务器体系结果和对等体系结构

客户-服务器体系结构

在该体系结构中，有一个总是打开的主机，即服务器，它接收和服务来自其他许多被称为客户的主机请求；值得注意的是，在该体系结构中，客户之间是不直接通信的；

客户-服务器体系结构的著名应用有：Web、FTP、Telnet和电子邮件。

通常，如果仅有一台服务器处理所有的请求，那么服务器系统将很快变得不堪重负，为此，配备大量主机的数据中心常被用于创建强大的虚拟的服务器，一个数据中心可以有数十万台服务器，它们需要供电和维护，同时服务提供商还需要支付不断出现的互联和带宽费用，以及发送和接收到达/来自数据中心的数据；

P2P体系结构

在P2P体系结构中，对位于数据中心的专用服务器有着最小（或者没有）依赖。应用程序在间断连接的主机对之间使用直接通信，这些主机被称为对等方。对等方并不为服务提供商所拥有，因为这种对等方通信不需要通过专门的服务器，所以该体系结构也被称为对等方到对等方结构；

目前，流量密集型应用都是P2P体系结构的。这些应用包括文件共享（例如BitTorrent）、协助下载（例如迅雷）、因特网电话（例如Skype）和IPTV(例如迅雷看看)。

值得注意的是，某些应用具有混合的体系结构，它们结合了客户-服务器和P2P这两种体系结果，比如许多的即时通讯工具，服务器用来跟踪用户IP地址，但是用户之间的通信则使用直接发送；

P2P体系结构最引人入胜的特性之一就是它们的自扩展性。比如在文件共享应用中，对等方可能通过向文件的原始拥有者发出请求而产生工作量，但是对等方也有可能通过为其他对等方传送文件而为原始拥有者分担压力；P2P体系结构也是成本有效的，因为他通常不需要庞大的服务器基础设施和服务带宽。但是P2P也面临着以下三个问题：

ISP友好。大多数住宅ISP受制于非对称带宽应用，也就是下载比上传要多得多。但是P2P视频和文件分发应用改变了从服务器到住宅ISP的上载流量，因而给ISP带来压力；

安全性。因为其高度的分布和开放式，P2P应用也可能给安全带来挑战；

激励。如何说服用户资源向应用提供带宽、存储和计算资源？这是一个问题；

进程通信

在操作系统中，实际进行通信的是进程而不是应用程序；当进程运行在同一个端系统上时，它们使用进程间通信机制相互通信；而进程间通信的规则是由端系统上的操作系统确定的。当进程运行在不同的端系统上时，它们通过跨越计算机网络的报文相互通信；发送进程产生报文并且向网络中发送，接收进程接收报文并对此作出响应（不响应也是一种响应）。

客户进程和服务器进程

需要注意的是，在某些P2P应用中，一个进程可能既是客户也是服务器，因为在一个文件共享应用中，一个进程的确既能请求文件也能发送文件。所以从进程所扮演的角色来区分是客户进程还是服务器进程不够精确，所以我们从发起通信的顺序来定义它们：在给定的一对进程之间，首先发起通信的进程被标记为客户进程，在会话开始时等待联系的进程被称为服务器进程；

进程与计算机网络之间的接口

多数应用程序是由通信进程对组成的，运行在不同端系统上的进程对之间通过计算机网络来实现通信。所以，在应用程序进程和计算机网络之间存在一个接口，该接口被称为套接字。更为准确的说，套接字是同一台主机内应用层和运输层之间的接口。由于该套接字是建立网络应用程序的可编程接口，因此套接字也被称为应用程序和网络之间的应用编程接口（Application Programming Interface）.应用程序开发者可以控制套接字在应用层的一切内容，但是对于运输层的相关部分，几乎没有控制权，可以做的有：选择传输层协议和设定几个传输层参数，比如最大缓存和最长传输层报文长度

进程寻址

为了向特定目的进程发送报文，发送机进程需要知道接收进程（更为准确的说是，接收进程对应的套接字）的标记。该标记由两部分组成：接收进程所在的主机地址和接收进程在该主机中的标记；在因特网中，主机由IP地址标记，其中IP地址是一个32位（IPV4）标记；而接收进程（或者说是其对应的套接字）使用端口号标记；一些常用的应用程序有着固定的端口号，比如Web服务器使用80端口、邮件服务器（运行SMTP协议）使用25端口等；

可供应用程序使用的运输服务

传输服务的具体内容将在传输层一节中介绍，但是在介绍应用层的时候，作为向应用层提供服务的传输层内容是绕不过去的。为了更好滴理解应用层相关协议的特点，我们需要一些传输层的知识；

包括因特网在内的很多网络提供不止一种传输层协议，我们该如何为我们的应用选择传输层协议呢？一个最可能的方式就是首先了解各种传输层协议的特点，然后针对应用的特点，做出选择。而传输层协议的特点大致可以从以下这四个方面考量：可靠数据传输、吞吐量、最低速度保证和安全性；

可靠数据传输

如同在第一章中介绍的，分组在传输过程中可能会丢失。比如，分组因为路由器中的缓存溢出而被丢弃或者分组在传输的过程中发生了损坏等情况；有些应用是不允许数据发生丢失的，比如电子邮件、文件传输、远程主机访问、Web文档传输以及金融应用等。为了支持这些应用，必须做一些工作以确保应用程序一段发送的数据正确、完全地交付给接收数据的进程。如果一个协议提供了这样得确保数据交付的服务，就认为该协提供了可靠数据传输。当应用程序使用可靠数据传输的传输层协议时（这里需要注意的是，不是应用层协议哦），只要将要发送的数据传输进套接字就可以完全相信该数据可以完整无差错地到达接收方；

当一个运输层协议不提供可靠数据传输时，由发送方发送的数据就可能不能够到达接收进程。有些应用是允许这样的情况发生的，这些应用被称为丢失允许的应用。这类应用常见的有：交谈式音频和视频。它们能够承担丢失一定量的数据损失，在这些应用中，如果丢失少量数据将出现小干扰，但是不会出现致命的损伤；

吞吐量

在一条网络路径上的两个进程之间的通信会话中，可用吞吐量就是指能够向接收进程交付比特的速率。因为会有其他会话共享该网络的路径的带宽，并且因为这些会话的到来和离开，可用吞吐量将发生变化；这就导致另一种自然的服务，即运输层协议能够提供确切的可用吞吐量。使用这种服务时，应用程序就能以明确的速度接收数据，并且运输层应当保证可用吞吐量必须总是至少为该速度；

对吞吐量有明确要求的应用程序被称为带宽敏感的应用。许多多媒体应用是带宽敏感的（尽管某些多媒体应用程序可能采用自适应编码技术对数字视频和音频以与当前可用带宽相匹配的速度加解码。），比如因特网电话。而弹性应用则对吞吐量没有严格的要求。这类应用包括：电子邮件、文件传输以及web传送等。值得注意的是，吞吐量当然是越多越好了。

定时

定时和吞吐量都是关于速度的。一个提供定时服务的例子是：发送方注入套接字中的每个比特到达接收方的套接字不迟于100ms。也就是说，定时是对数据从发送到到达所需时间的要求，而吞吐量是对数据交付速度的要求。打个比方，吞吐量是指一个小时内经过某个收费站的汽车数目，而定时则是第一辆车从出发到进入收费站的时间。有些应用为了服务的有效性而对数据到达时间有严格的要求，常见的应用有：因特网电话、多方在线游戏等；

安全性

运输层可以提供一些安全服务，以防止传输的数据以某种方式在这两个进程之间被察觉到。这些安全服务包括：数据的加解密、数据的完整性和端点鉴别等。

因特网提供的传输层服务

因特网（更一般的是TCP/IP网络）为应用程序提供连个运输层协议，即UDP和TCP。每个协议对应用程序提供了不同服务的组合。以下为常见的因特网应用的特点：

应用 数据丢失 带宽 时间敏感

文件传输 不 弹性 不

电子邮件 不 弹性 不

web文档 不 弹性 不

因特网电话/视频会议 容忍范围内丢失 有要求 是

存储视频/音频 容忍丢失 有要求 是

交互式游戏 容忍丢失 有要求 是

即时通行 不 弹性 是或者不是

TCP服务

这里简单介绍其特点，以便更好地理解后续的各种应用层协议。TCP服务模型包括了面向连接的服务和可靠数据传输服务。

面向连接的服务：在应用层数据报文开始流动之前，TCP会在客户端和服务器端相互交换传输层控制信息。这个握手过程将提示客户端和服务器端，让它们为即将到来的大量分组做好准备；握手阶段接收后将建立一个TCP连接。这条链接是全双工的，即连接双方使用该条链接可以同时进行报文的收发。这条连接将在通讯结束后拆除；

可靠的数据传输：应用程序使用TCP协议可实现无差错、按适当顺序交付所有发送的数据，没有字节的丢失和冗余；

TCP服务还提供了拥塞控制机制。该机制不一定会给通行双方带来好处，但是会给网络带来整体好处；当发送方和接收方之间的网络出现拥塞时，TCP将使用拥塞控制机制来使网络恢复正常；

UDP服务

UDP服务是一种不提供不必要服务的轻量级运输协议。它仅提供最小服务。UDP是无连接的也就是说通信之前没有握手；UDP不提供数据的可靠传输；UDP也没有拥塞控制机制。看上去，UDP什么都没有哦，但是有些应用场景下，UDP协议将带来更多的便利和效率，比如DNS和一些因特网电话服务（为了避免拥塞控制协议的控制而使用UDP）；

传输层无法提供的服务

从可靠数据传输、吞吐量、定时、安全性等四个角度来看运输层提供的服务，我们发现，运输层无法对吞吐量和定时做出保证。但是，今天的因特网能够为时间敏感的应用提供满意的服务，尽管它并不提供任何定时或者带宽保证；

应用层协议

应用层协议定义运行在不同端系统上的应用程序进程如何相互传递信息。涉及的内容包括：交换的报文类型（请求或者响应）、报文中包含哪些字段、字段如何被解释、一个进程何时收发报文并如何对报文进行响应等内容；

需要注意的是，应用层协议是网络应用的一部分；

即将介绍的应用层应用

即将介绍的应用包括：Web、文件传输、电子邮件、目录服务和P2P。Web部分将介绍HTTP协议，它比较简单和易于理解；FTP则和HTTP形成了对照；电子邮件是比Web更为复杂的应用，因为它使用了多个应用层协议；大多数用户不会直接和DNS接触，但是DNS很好地说明了一种核心的网络功能是如何在应用层实现的。最后便是P2P应用的简单介绍了。

WEB和HTTP

HTTP概述

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是WEB的应用层协议，它是Web的核心；HTTP有两部分实现，一个客户端程序一个服务器程序；HTTP定义了客户和服务器进行报文交换的方法；

Web页面是由对象组成的，一个对象是一个文件，它们通过一个URL地址进行寻址。客户和服务器交互的核心思想是客户通过HTTP请求对服务器发出对Web页面的请求报文，服务器收到该报文后将返回包含该对象的HTTP响应报文。

HTTP使用TCP作为它的传输层协议；需要注意的是，服务器根据请求作出响应，但是不存储任何关于该客户的状态信息；也正因为这样，HTTP被称为无状态协议。同时，Web使用了客户端-服务器的应用体系结构；其中web服务器总是开着的；

持续连接和非持续连接

在因特网应用程序中，客户端和服务器将在很长的时间范围里通信；应用程序将根据自身的特点，选择以规则的间隔周期性性发出请求也可以间断性一个个发出请求。当通信是使用TCP协议时，服务器端需要做出一个决定：这些请求是使用一个TCP连接完成还是通过独立的TCP连接完成。如果采取前一个方法，则称应用程序使用持续连接，如果使用后一种方式，则称为非持续连接。

HTTP既可使用持续连接也可以使用非持续连接。尽管HTTP在静默情况下使用持续连接，

非持续连接

使用非持续连接时，每个TCP连接在服务器发送一个对象后就会关闭，也就是每个TCP只传送一个请求报文和响应报文；

为了描述持续连接和非持续连接的特点，我们引入RTT(Round-Trip Time)。RTT指的是，一个短分组从客户端到服务器，然后再返回客户端所用的时间。RTT包括分组的传播时延、排队时延、处理时延（因为是短分组，所以其传输时延可不计）；因为客户端和服务器建立TCP连接的时候，会通过一个三次握手的过程来交换传输控制信息。三次握手的前两次占用了一个RTT，客户结合第三次握手通行会通过该连接发送一个HTTP请求报文，一旦该分组到达服务器，服务器便开始使用TCP传输HTML对象。因此，粗略地说，响应时间是两个RTT加上传输HTML的时间（不是传播哦~）；

持续连接

从上面可以看出，非持续连接必须为每个请求新建一个TCP连接，而每个TCP连接将占用系统资源，包括缓冲区和变量等，这样服务器的负担就很重了。第二，一个对象将通过两个RTT的时延才能交付。

如果使用持续连接，那么服务器在发送响应报文后将保持该TCP打开，后续客户端可以使用该连接来向服务器发出请求。不但一个完整的页面可以通过同一个连接传送，同一台服务器上的多个页面也可以通过同一个连接发送。这就提高了效率；

一般来说，如果一条连接在一定的时间间隔后没被使用的话，就会被关闭。HTTP默认使用的是带流水线的持续连接。

HTTP请求报文格式

一个请求报文具有至少一行的内容。请求报文的第一行称为请求行，其后继的各行被称为首部行。请求行包含三个内容：方法字段、URL字段、HTTP版本；其中方法字段可为：GET、POST、PUT、DELETE、HEAD等。URL字段里可以传递请求对象的标志；

首部行包含是否在发送完响应报文后关闭TCP连接的Connection；请求的主机地址（该头部信息被Web高速缓存所要求）；浏览器版本；可接受的语言等头部信息；

在首部行之后一个空行，之后便是请求的“实体体”。该实体体可以在POST方法里传递Form表单内容或者传递其它一些二进制流数据等。值得注意的是，表单也不一定必须使用POST方法。

HTTP响应报文格式

响应报文总体上也分三个部分，第一部分是状态行，包含HTTP版本、状态以及状态信息等内容；第二部分是首部行，包含发送日期、服务器类型、上一次修改请求资源的时间、内容的类型等内容。第三部分是实体体。实体体包含请求对象本身；

Cookie

前面提到，HTTP是无状态协议，但是Web站点为了识别用户身份或者限制用户访问的时间或者将用户访问的内容同用户身份相关联，Web站点可以使用Cookie技术；

Cookie技术包含4个组件：

HTTP响应报文里增加一个关于Cookie的首部行；

HTTP请求报文里增加一个关于Cookie的首部行；

用户端系统保留一个Cookie文件，由浏览器保存维护；

Web站点建立Cookie和用户身份的关联；

虽然，Cookie的使用方便了用户也方便了服务端，但是它的使用存在争议，因为使用Cookie被认为是对用户隐私的一种侵犯，因为Web站点可以通过Cookie得到很多用户的信息，并有可能将这部分信息卖给第三方等；

Web缓存器

Web缓存器也被称为代理服务器，它代表初始web服务器来满足HTTP请求。它有自己的存储空间，并在存储空间里保持有最近请求过的对象的副本；可以通过配置浏览器，将所有指向初始服务器的请求首先指向代理服务器。

当代理服务器收到一个HTTP请求后，它将检查本地是否缓存过该对象，如果缓存过该对象，将检查是否过期，如果没有过期，则直接将该对象返回给浏览器；如果本地不存在或者存在已过期，则代理服务器将根据请求报文里的Host首部行以及请求行里的URL字段向初始服务器发出请求，然后将响应对象返回给浏览器并缓存在本地。

通常，代理服务器与客户端的通信速度要快于初始服务器与客户端的连接速度；Web代理服务器可以大起大减少对客户请求的响应时间；而且，缓存器能从整体上大大降低因特网上的web流量，从而有助于提高所有应用程序的性能；

通过使用内容分发网络（Content Distribution Network），Web缓存器正在因特网中发挥越来越重要的作用；

条件GET方法

高速缓存器的使用，带来很多好处，但是有一个问题就是代理服务器对缓存对象的管理：如何确保所请求的对象是最新的？其实HTTP提供了一种机制，允许缓存器证实其使用的对象是最新的，这种机制就是条件GET方法。使用条件GET方法只需在使用GET方法的时候，增加一个If-Modified-Since首部行，其对应的内容是一个时间，如果所请求的资源在指定日期后被修改了，那么服务器将返回新的对象，否则服务器将返回一个包含空实体体的报文。这样代理服务器就可以确认缓存是否过期了。

电子邮件

因特网电子邮件系统有三个核心组件：用户代理、邮件服务器、SMTP（简单邮件传输协议，Simple Mail Transfer Protocol）。

邮件服务器构成了电子邮件系统的核心。每个收发方在邮件服务器上拥有一个邮箱；一个典型的电子邮件发送过成为：发送方通过用户代理将邮件传送到发送方的邮件服务器，然后再传输到接收方的邮件服务器，然后邮件被分发到接收方的邮箱里；接收方从邮件服务器里获取自己的邮件时需要通过邮件服务器的验证；

SMTP是因特网中电子邮件的主要应用层协议，它使用TCP可靠数据传输从发送方的邮件服务器向接收方的邮件服务器发送邮件；在每台邮件服务器上同时运行SMTP服务器和SMTP客户端。当邮件服务器接收其他邮件服务器的邮件时，它表现为SMTP服务器，当邮件服务器向其他邮件服务器发送邮件时，表现为SMTP客户端。

SMTP

SMTP出现在因特网之前，尽管它有着很不错的特性，但是它具有的某种陈旧的特征表明它仍然是一种继承的技术，比如，它限制邮件报文的所有部分只能使用7比特的ASCII表示，这就导致二进制多媒体文件需要编码为ASCII，而且在发送方需要编码，接收方则需要解码。

值得注意的是，SMTP报文一般不使用中间邮件服务器发送报文，也就是邮件不会在中间某个邮件服务器保留；在SMTP握手阶段，SMTP客户端将介绍发送方和接收方的邮箱地址；一旦介绍完毕后，SMTP客户端将开始发送报文；

与HTTP对比

HTTP和SMTP都是用TCP协议；持续的HTTP和SMTP都是用持续连接；但是两者也有区别。首先HTTP被设计为一个Pull协议而SMTP被设计为一个Push协议。即用户通过HTTP主动向服务器请求内容，而SMTP则是客户将内容推向服务器端；第二个区别就是HTTP传输的数据不一定是用ASCII字符，但是SMTP则只能使用ASCII字符；第三个重要区别就是，HTTP将每个对象封装在自己的响应报文里，而SMTP则将所有的报文对象放到一个报文之中；

邮件报文格式

报文由两部分组成：一个包含环境信息的首部和一个包含邮件内容的报文体；首部和报文体之间使用空行分开；首部行的格式为关键字：及其值；每个首部必须包含一个From和To首部行。首部也可以包含其它信息，比如Subject等。

邮件访问协议

需要注意的是，SMTP是邮件服务器之间发送邮件报文的协议，并不是用户通过代理和邮件服务器之间通信的协议；用户代理使用邮件访问协议来从邮件服务器上获取邮件信息；目前常用的邮件访问协议有POP3（Post Office Protocol-Version 3）、因特网邮件访问协议（IMAP，Internet Mail Access protocol）和HTTP；

POP3

POP3是一个非常简单的协议，因为简单，所以功能有限；POP3使用端口110来建立TCP连接（SMTP使用端口25）；POP3按照三个阶段进行工作：特许、事务处理和更新；在特许阶段，用户代理发送密码和用户名，进行身份鉴别；第二阶段，用户代理取回报文，同时还可以做删除、取消删除等标记或者统计邮件信息；第三个阶段是在用户退出后，POP3结束会话，删除被标记的邮件；

一个需要注意的是，POP3用户代理可以使用两种事务处理模式：一种是下载并删除，另一种是下载保留；POP3代理发出的命令和其工作模式相关；下载并删除的方法存在的问题是，如果用户在一台设备上查看了邮件（下载了邮件）后，邮件将被删除，那么在其他设备上将无法查看邮件；这给用户带来一定的不便。使用下载保存方式，则用户下载邮件后，邮件还在服务器上。

IMAP

POP3协议无法为用户提供邮件分类管理的功能，虽然用户可以通过将邮件下载到本地，然后由用户代理程序做分类管理，但是处理的结果是无法同步到其他查看设备上的。为了解决这一问题，IMAP诞生了。IMAP是一个邮件访问协议，比POP3要复杂的多，当然也就有更多的特色了。

IMAP将每一份邮件和一个一个文件夹联系起来，当报文第一次到达服务器时，它与收件人的INBOX相关联。收件人可以将邮件移到新创建的文件夹，阅读邮件，删除邮件等。IMAP允许用户在不同文件夹里移动邮件并且查询邮件。值得注意的是，IMAP服务器维护了IMAP会话的用户状态信息，但是POP3并不；IMAP协议还允许用户代理获取报文组件而不是报文整体。

基于Web的电子邮件

这种方式主要是指，用户使用HTTP协议和邮件服务器通信。但是，邮件服务器之间还是使用SMTP协议的；

DNS：因特网的目录服务

首先，需要注意的是，在计算机网络里，我们通过IP地址来标记某一时刻网络中唯一的主机。IP地址（IPV4）由4个字节组成，有着严格的层次结果，每个字节使用点号分隔。同时，为了方便记忆，我们也通过为主机提供一个便于记忆的主机名来标志主机，这样主机之间的通信就变得方便了。但是，同时也就引入一个问题：主机名和IP地址的转换问题；因为在信息的发送者一端，通常使用主机名来标识主机，但是在计算机网络里是使用IP地址来标机主机。

计算机网络里有一种应用专门提供这样的服务，它就是DNS（Domain Name System）域名系统。DNS是一个由分层的DNS服务器组成的分布式数据库和一个使得主机可以查询分布式数据库的应用层协议组成；

DNS通常被其他应用层协议使用，比如：HTTP、SMTP和FTP等。这些协议在正式工作以前，首先利用DNS提供的服务，将主机名转换为IP地址，可以发现的是，DNS为用户带来方便的同时，也为网络应用带来额外的时延——查询DNS服务器的时延。需要注意的是，缓存作为一种提高性能，特别是查询性能的手段，在DNS中同样适用。

DNS提供的服务

除了提供主机名到IP地址的转换外，DNS还提供以下重要服务：

主机别名：虽然，主机名比起IP地址好记多了，但是有时候我们的主机名仍然很长，很不好记忆，所以我们需要为主机名再起一个名字，这就是主机别名，DNS不但提供主机名到IP地址的转换服务，还提供主机名与主机别名的转换；此时主机名被称为规范主机名；

邮件服务器别名：DNS同样也提供邮件服务器主机名和别名的转换服务，实际上，公司的邮件服务器和Web服务器可以使用相同的主机别名；

负载分配：DNS也被用在冗余的服务器之间分配负载。每个服务器有着不同的IP地址，但是它们都和同一个主机名相关联，也就是一个IP地址集合同一个规范主机名相联系；当某个DNS服务器收到DNS请求时，该服务器奖使用IP地址的整个集合作为相应，但是在每个应答中，循环这些地址的次序。因为客户端通常都是使用IP地址集合的首个元素，所以DNS就在冗余的Web服务器之间分配了负载；

DNS工作机理概述

首先，DNS使用UDP作为其传输层协议（UDP是一个什么都没有的协议，哈哈哈，但是它可以不受网络拥塞控制的调节）；DNS服务使用53端口；当主机上的DNS客户端收到一个转换请求时，客户端将向网络发送一个DNS查询报文，然后客户端将收到一个包含相关信息的DNS回答报文，这个报文里有客户端想要的内容，之后DNS客户端将IP地址返回给请求的提出者即可。从使用DNS服务的请求者来看，DNS就像一个简单的提供直接转换服务的黑盒子，实际上这个黑盒子非常复杂，由分布在全球的大量DNS服务器以及定义DNS服务器和查询主机之间如何通信的应用层协议组成；

DNS采用分布式的设计方案，实际上，DNS是一个在因特晚上实现分布式数据库的精彩范例！而之所以这样做，是因为，单一的DNS服务器无法解决单点故障、无法保证通信容量以及无法临近所有的查询主机和维护困难等问题；

分布式层次的数据库

为了处理扩展性问题，DNS服务器采用层次式组织，并且分布在全世界范围内；大致来说，存在三种DNS服务器：根DNS服务器、顶级域DNS服务器和权威DNS服务器；举例说明，其工作的普遍流程：一个DNS客户端，希望获得www.baidu.com的IP地址，粗略的说，DNS客户端首先和根DNS服务器取得联系，它将返回负责解析顶级域名com的服务器的IP地址（或者其集合），客户将同这些服务器之一取得联系，然后顶级域DNS服务器建返回baidu.com的权威服务器的IP集合，客户端通过与这些服务器之一取得联系，获得www.baidu.com的IP地址。

根DNS服务器：因特网上有13个根DNS服务器，大部分分布在北美洲，尽管我们可以将这13个根DNS服务器视为单个的服务器，但是每台服务器实际上是一个冗余的计算机网络以提供安全性和可靠性；

顶级域DNS服务器：负责顶级域名，如com，org，net，edu，gov以及各个国家的顶级域名的转换。

权威DNS服务器：因特网上，具有公共可访问主机的每个组织机构必须公共可访问的DNS记录，这些记录将主机名映射为IP地址。一个组织的权威DNS服务器收藏了这些DNS记录，多数大学和大公司实现和维护它们自己的基本和辅助（备份）权威DNS服务器；当然，也可以通过付费的方式，将相关的信息插入到其它权威服务器中；

除了上面三种DNS服务器，还有一种不在DNS层次结构之中，但是很重要的DNS，是本地DNS服务器。本地DNS服务器通常邻近其所在网络的其他主机。当主机发出DNS请求时，该请求被发往本地DNS服务器，它起着代理的作用，并将请求转发到DNS服务器层次结构中。

DNS查询有两种，一种是递归查询一种是迭代查询；实践中，查询通常满足这样的模式：从请求主机到本地DNS服务器的查询是递归的，其余查询是迭代的。所谓迭代就是，如果请求的接收者不知道所请求的内容，那么接收者将扮演请求者，发出有关请求，直到获得所需要的内容，然后将内容返回给最初的请求者。也就是说，在递归查询中，一定要给请求者想要的答案；迭代查询则是指，如果接收者没有请求者所需要的准确内容，接收者将告诉请求者，如何去获得，但是自己并不去发出请求。

DNS缓存

DNS缓存实际上是为了盖上时延性能并且减少在因特网上传输的DNS报文数量而引入的。DNS缓存原理十分简单，每当DNS服务器发出请求后收到回答时，就将回答的内容缓存在它自己的主机空间上。这样，如果有相同的请求到达时，就不需要再去发出请求，直接使用缓存即可；因为有了缓存，本地DNS就可以直接提供一些经常被访问的主机名所对应的IP地址，而不需要询问根DNS服务器了。需要注意的是，缓存不可避免的一个问题：有效时间。如果缓存过时而未得到更新，那么就会导致一些请求失败。

个人认为，缓存技术就是一种典型的使用空间换时间的策略；

DNS记录和报文

共同实现分布式数据库的所有DNS服务器存储了资源记录(Resource Record)。而RR提供了主机名到IP地址的映射信息；一条RR是具有一下字段的4元组：（name, value, type, TTL）;其中TTL是指该记录的生存时间，它决定了该条记录何时被删除。

首先看看type，type有4种取值，包括：A、NS、CNAME、MX等：

type=A：则name为主机名，value为对应的IP地址；

type=NS：则name为域，value为如何获得该域下主机IP地址的权威DNS服务器的主机名；

type=CNAME：则value为name（本身为主机别名）所对应的主机的规范主机名；

type=MX：则value为那么所对应的邮件服务器的规范主机名；

所以如果一条记录为type=A，则它直接包含了需要的信息；如果是NS，需要进一步得到权威DNS服务器的IP地址（不一定需要再次请求哦~），然后向其发出，请求希望得到一条A记录；而type=CNAME和MX的记录则实现了主机别名到主机规范名的转换，可以通过该规范名继续构建查询链条，直到获得希望的IP地址；

DNS报文

DNS报文有两种，即查询报文和回答报文，并且两种报文有着相同的结构：

前12字节为首部区域。标识符是一个用来标记该查询的16比特数。该标志符会被复制到相应的回答报文里，以便匹配请求和回答；

标志字段有若干标志，用来指出报文的类型（请求还是响应）、查询类型（递归还是迭代）、是否是所请求名字的权威DNS服务器、以及4个有关数量的字段，用来指示4类数据区域出现的数量；

问题区域包含了正在进行的查询信息，包括名字字段、查询类型；

回答区域包含了对最初请求的名字的资源记录，回答报文的回答区域可以包含多条RR，因此一个主机名能有多个IP地址；

权威区域包含了其他权威服务器的信息；

附加区域包含了其它有帮助的记录，比如在对于一个MX类型的请求回答报文里，回答区域里指出了邮件服务器的规范主机名，而附加区域里就有可能包含一个类型为A的关于该规范主机名的的IP地址；

向DNS数据库中插入数据

需要在注册登记机构完成这一任务，当你注册一个域名时，需要向该机构提供你的基本和辅助DNS服务器的名字和IP地址；该注册机构将确保一个类型为NS和类型为A的记录输入对应的顶级域名服务器；这样就完成了插入数据；

P2P应用

有两种典型因特网应用十分适合P2P体系结构，一种是文件分发，另一种是大型对等方社区中的数据库；P2P体系结构有着良好的自扩展性；

BitTorrent 是一种用于文件分发的流行P2P协议；用BitTorrent的术语来说，参与一个特定文件分发的所有对等方的集合被称为一个洪流；在一个洪流中的对等方彼此下载等长度的文件块；当一个对等方下载文件块的时候，也向其他对等方发送了多个块；一旦某对等方获得了完整文件，就可以自私地离开洪流或者大公无私地留下来继续向其他对等方发送文件；