应用层¶

本章回答：浏览器、邮箱和文件传输程序，怎样组织已经能可靠传送的数据？学习顺序：

1. 从域名层级、记录类型和缓存理解 DNS。
2. 读一次 HTTP 请求与响应，辨认对象和状态码。
3. 画连接与对象的依赖顺序，再计算页面时延。
4. 分开内容缓存、TCP 连接与登录会话。
5. 跟踪邮件信封、MIME 编码和 FTP 两条连接。
6. 回到一次完整网页访问，判断哪些缓存能省步骤。

从域名找到服务¶

浏览器拿到一个网址，首先要知道服务器地址，再建立合适的连接，最后请求内容。应用层协议定义双方交换什么消息、怎样解释结果；运输层解决这些消息如何在程序间传递。

一次网页访问往往涉及多个应用协议。

DNS 把域名等名字映射为资源记录。域名层级从右向左看：根在最顶端，其下是 .com、.cn 等顶级域，再向下是具体组织及子域。

管理者可以把一部分子树委派出去，因此一个域名树与一台服务器保存的区域不是同一概念。

• DNS 是域名系统。
• 资源记录是“一类名字信息”的条目；
• 查地址只是其中一种用途。
• 权威服务器直接负责某个区域的数据；
• 递归解析器替主机继续查询并缓存结果。
• 比如 www.example.test 的主机标签在左侧，.test 是本例使用的测试顶级域名。

DNS 返回的 TTL 是缓存有效时间，和 IP 首部逐跳递减的 TTL 不同。

MX 的较小优先值通常更优先，例如 10 mx.example.test 中的 10 既不是端口也不是 IP；还要查该主机名的 A/AAAA 得到连接地址。

查询为什么有多次¶

主机通常请求递归解析器帮它得到最终答案。递归表示被问者负责继续解决；迭代表示被问者可告诉请求方“下一步问谁”。

缓存全空时，解析器常依次问根、顶级域、目标区域的权威服务器，逐步获得最终记录，再返回主机。

sequenceDiagram
    participant H as "主机"
    participant R as "递归解析器"
    participant Root as "根服务器"
    participant T as "顶级域服务器"
    participant A as "权威服务器"
    H->>R: 请求最终地址
    R->>Root: 问目标名字
    Root->>R: 转介顶级域服务器
    R->>T: 问目标名字
    T->>R: 转介权威服务器
    R->>A: 查询地址记录
    A->>R: 返回最终记录
    R->>H: 返回地址并缓存

主机的一次请求可能引发解析器的多次顺序查询。

若解析器已缓存有效最终记录，就不用再向外查询；若主机自己已缓存，连主机到解析器这次请求都可能省去。缓存命中位置不同，时延不同。

权威服务器返回 NXDOMAIN 表示名字不存在，NODATA 表示名字存在但没有所问记录类型，这些否定结果也可按规则缓存。

别名也可能增加查询：若 A 是 CNAME 指向 B，还要取得 B 的所需地址记录。

委派的名称服务器名字若就在被委派子域里，会形成“先知服务器地址才能问服务器”的循环，父区可提供必要的 glue 地址记录帮助启动。

图采用无缓存、无别名、无额外委派的简化过程。递归与迭代描述每次查询双方的责任：主机请求解析器负责最终答案，解析器再依转介逐次问其他服务器。

实际记录可能一次返回多项，应按题目给定的查询次数计算。

练习 1¶

练习 2¶

HTTP 怎样请求对象¶

HTTP 客户端发送请求，服务器返回状态、首部和可能的消息体。一个页面通常由 HTML、图片、脚本等多个对象组成；浏览器先读 HTML，才知道其中引用哪些资源。

GET /index.html HTTP/1.1
Host: example.test
Accept: text/html

• 第一行的 GET 是方法，/index.html 是请求目标，最后是版本；
• Host 区分同一服务器地址上的不同站点；
• Accept 表示可接受的表示类型。
• 空行结束首部，随后才是消息体。
• 响应如 HTTP/1.1 200 OK，200 表示成功，404 表示资源未找到，不能把 404 当成 TCP 握手失败。

HTTP 是超文本传输协议；HTML 是描述网页结构的文本内容，两者分别是传输规则和所传对象。

上述 GET 通常不带请求消息体，服务器的响应消息体才可能是 HTML 文件。HTTPS 表示 HTTP 通过安全机制传送，后续安全章解释其保护范围。

• Content-Type 描述内容类型；
• Content-Length 给出消息体字节长度。
• 在 HTTP/1.1 分块传输中，各块带长度、最后用结束块终止；
• 它服务于消息定界。
• HEAD 请求得到相应首部但不传通常的响应消息体；
• POST 常用来提交内容。
• 应用含义和具体方法要结合请求语义理解。

连一次还是多次¶

非持久 HTTP 每个对象建立新连接；持久连接让多个对象复用同一连接。连接复用减少握手，但是否串行、流水线、并行仍需看题目。

设 DNS 已结束，无旧 TCP 连接，忽略 TLS、传输和处理时间；握手用 1 RTT，小对象请求响应用 1 RTT。

HTML 引用三张图片，共四个对象：非持久且全串行需 \(4\times2=8\) RTT；持久但无流水线只握手一次，需 \(1+4=5\) RTT。

若持久流水线允许三图一起请求，则先握手、再 HTML、最后三图，简化为 3 RTT。浏览器必须先获得 HTML 中的图片地址，不能从时间零就假设知道所有请求。

大对象还要计算发送时间，并行也不意味着每条连接都独占整条带宽。统一先画请求依赖和连接建立，再算各阶段时间。

flowchart TD
    A["DNS结束，尚无TCP连接"] --> B["建立连接：1 RTT"]
    B --> C["请求并收到HTML：1 RTT"]
    C --> D["解析HTML，得到三张图片地址"]
    D --> E["请求图1：1 RTT"]
    E --> F["请求图2：1 RTT"]
    F --> G["请求图3：1 RTT；合计5 RTT"]

• 把图整理成计算式，设总对象数为 \(K\)，忽略题设允许忽略的其他开销：非持久串行为 \(2K\,RTT\)；
• 持久无流水线为 \((1+K)RTT\)。
• 流水线允许连续发出多个请求，不等前一响应完成；
• 并行则使用多条连接。
• 二者的资源共享与时间依赖不同，不能混称为同一方式。

练习 3¶

练习 4¶

缓存与登录状态¶

• 缓存保存对象的副本。
• 响应中的 max-age=60 可允许该副本在一定条件下新鲜 60 秒；
• 新鲜时直接复用可省请求。
• 过期后若有 ETag 版本标识，可带 If-None-Match 条件请求验证，未变化时服务器返回 304，浏览器使用本地消息体；
• 304 仍然需要请求往返。

缓存题还可算平均时间：若本地命中概率为 \(p\)、命中耗时 \(t_h\)、未命中耗时 \(t_m\)，且这两类已含完整处理路径，则平均为 \(pt_h+(1-p)t_m\)。未命中路径是否已包含本地检查，要读清定义，避免重复加时。

HTTP 无状态表示每次请求不由协议自动保留用户业务状态。

服务器可用 Set-Cookie 让浏览器保存标识，浏览器按域、路径、有效期等规则在后续 Cookie 字段中回传；服务器再用标识找到会话。

TCP 连接关闭后，有效 Cookie 仍可用于新连接，所以持久连接与登录会话是两套状态。

会话在这里指应用保存的用户交互状态，例如登录后关联的用户身份；Cookie 是浏览器按规则保存并回传的数据。ETag是对象版本的标识，用于缓存验证。

记忆时区分三份记录：连接记录负责运输，Cookie／会话记录负责用户状态，内容缓存记录负责复用对象。

练习 5¶

邮件如何投递¶

发送端先把邮件提交给邮件服务器，服务器再通过 SMTP 向收件域服务器传送。收件人使用 IMAP 或 POP3 读取；IMAP 适合在服务器上同步文件夹和已读状态。

SMTP 成功接收邮件表示对应环节接受投递，不等于收件人已经读到。

一次简化 SMTP 对话包含 EHLO、MAIL FROM、RCPT TO、DATA，消息结束后服务器给出结果。

MAIL FROM 和 RCPT TO 是传输信封，DATA 内的 From、To、Subject 是可见邮件首部。

可见 To 不会自动覆盖 RCPT TO 指定的实际投递收件人，密送等场景因此可以让两者不同。

MIME 为邮件加入内容类型、字符集、附件和多部分结构。

Base64 把二进制编码成适合文本传输的字符，每 3 B 对应 4 字符，不足一组需填充；忽略换行等开销，\(n\) 字节对应 \(4\lceil n/3\rceil\) 字符。

例如 300 B 得 400 字符，301 B 得 404 字符。它公开可逆，既不提供保密，也不等于压缩。

每 3 B 是 24 bit，Base64 按每 6 bit 分一组，得到四组；每组可表示 \(2^6=64\) 种值，对应一个字符。

\(\lceil\ \rceil\) 是向上取整：301 B 需要 \(\lceil301/3\rceil=101\) 组，每组最终四字符，所以为 404 字符，包括末组所需的填充字符。

FTP 的两条连接¶

FTP 用控制连接传命令，数据连接传文件和目录内容。控制服务通常使用 TCP 21；传统主动方式由服务器主动连接客户端声明的数据端口，经典服务器数据源端口为 20。

被动方式由服务器告知一个监听端口，再由客户端主动连接它，更适应不少 NAT 和过滤场景。

练习 6¶

练习 7¶

回到完整网页过程¶

刚接入网络的主机可能先通过 DHCP 得到地址、网关和 DNS，再用 ARP 找本地下一跳；DNS 获得服务器地址后建立连接，HTTPS 还需安全握手，随后请求 HTML 及其资源。

实际访问不一定全部重做：有效租约、ARP 缓存、DNS 缓存、旧连接和新鲜内容缓存都可能省步骤。按当前已有状态逐项判断即可。

HTTP/2 在一条连接中复用多个流，减少应用层的串行等待，但如果承载它的 TCP 缺少一个字节，后续字节交付仍受该缺口影响。

HTTP/3 使用 QUIC，QUIC 在 UDP 上提供可靠流、拥塞控制和安全等能力；不同流的有序交付可独立处理，不能据“底下是 UDP”断言 HTTP/3 不可靠。

多路复用也不能消除共享瓶颈、丢包和拥塞的全部影响。

分析一次访问失败时同样分层：没有地址可能是配置，名字查不到可能是 DNS，连接失败涉及路径或服务监听，404 已经是应用响应。观察到哪一层的成功证据，就把后续问题定位在相应范围内。

练习 8¶

记忆要点¶

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