《网络协议》07. 其他协议

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title: 《网络协议》07. 其他协议
date: 2022-10-07 18:24:02
updated: 2023-11-15 08:00:52
categories: 学习记录：网络协议
excerpt: IPv6、WebSocket、WebService（SOAP，WSDL）、HTTPDNS、FTP、邮件（SMTP，POP，IMAP）、即时通信（XMPP，MQTT）、流媒体。
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网络协议从入门到底层原理。

1：IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6），网际协议第 6 版。

• 用它来取代 IPv4 主要是为了解决 IPv4 地址枯竭问题，同时它也在其他方面对于 IPv4 有许多改进
• IPv6 采用 128 位地址，而 IPv4 使用的是 32 位
• 支持 2^128（约 3.4 ∗ 10^38）个地址。以地球人口 70 亿人计算，每人平均可分得约 4.86 ∗ 10^28 个 IPv6 地址
• 然而长期以来 IPv4 在互联网流量中仍占据主要地位，IPv6 的使用增长缓慢
• 因为 IPv6 需要设备、操作系统内核升级，以支持 IPv6。不像 HTTP 升级到 HTTP2 一样方便

在 2019 年 12 月，通过 IPv6 使用 Google 服务的用户百分率首次超过 30%

1.1：地址格式

• IPv6 地址为 128 bit，每 16 bit 一组，共 8 组
• 每组以冒号【:】隔开，每组以 4 位十六进制方式表示
  • 例如 2001:0db8:86a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344
• 类似于 IPv4 的点分十进制，IPv6 同样也存在点分十六进制的写法
  • 2.0.0.1.0.d.b.8.8.5.a.3.0.8.d.3.1.3.1.9.8.a.2.e.0.3.7.0.7.3.4.4
• 每组前面连续的 0 可以省略。下列 IPv6 地址是等价的：
  • 2001:0db8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13
  • 2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
• 可以用双冒号【::】表示一组 0 或多组连续的 0。但只能出现一次。下列 IPv6 地址等价：
  • 2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
  • 2001:db8:2de::e13
• 2001::25de::cade 是非法的，因为双冒号出现了两次，会造成歧义：
  • 2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
  • 2001:0000:25de:0000:0000:0000:0000:cade
• ::1 是本地环回地址：0:0:0:0:0:0:0:1
  • ping ::1 可以 ping 通本机

1.2：首部格式

IPv6 有 40 字节的固定首部。

• Version（占 4 bit，0110）：版本号
• Traffic Class（占 8 bit）：交通类别
  • 指示数据包的类别或优先级，可以帮助路由器根据数据包的优先级处理流量
  • 如果路由器发生拥塞，则优先级最低的数据包将被丢弃
• Payload Length（占 16 bit）：有效负载长度
  • 最大值 65535 字节
  • 包括了扩展头部、上层（传输层）数据的长度首部格式
• Hop Limit（占 8 bit）：跳数限制
  • 与 IPv4 数据包中的 TTL 相同
• Source Address（占 128 bit）：源 IPv6 地址
• Destination Address（占 128 bit）：目的 IPv6 地址
• Flow Label（占 20 bit）：流标签
  • 指示数据包属于哪个特定序列（流）
  • 用数据包的源地址、目的地址、流标签标识一个流
• Next Header（占 8 bit）：下一个头部
  • 指示扩展头部（如果存在）的类型、上层数据包的协议类型（例如 TCP、UDP、ICMPv6）

扩展头部示意图如下。

2：WebSocket

Socket 是一套网络编程 API，利用它可以建立网络连接，一般都是操作系统底层实现的。
WebSocket 是一个网络协议。

HTTP 请求的特点：通信只能由客户端发起。所以，早期很多网站为了实现推送技术，所用的技术都是轮询。

轮询：由浏览器每隔一段时间（如每秒）向服务器发出 HTTP 请求，然后服务器返回最新的数据给客户端。

为了能更好的节省服务器资源和带宽，并且能够更实时地进行通讯，HTML5 规范中出现了 WebSocket 协议。

WebSocket，是基于 TCP 的支持全双工通信的应用层协议。客户端、服务器，任何一方都可以主动发消息给对方。

在 2011 年由 IETF 标准化为 RFC 6455，后由 RFC 7936 补充规范。

WebSocket 的应用场景很多：社交订阅、股票基金报价、体育实况更新、多媒体聊天、多玩家游戏等。

其实 TCP 本身就是支持全双工通信的（客户端、服务器均可主动发消息给对方），只是 HTTP 的 “ 请求-应答模式 ” 限制了 TCP 的能力。

• WebSocket 和 HTTP 属于平级关系，都是应用层的协议。
• WebSocket 使用 80（ws://）、443（wss://）端口，可以绕过大多数防火墙的限制。
  • ws://example.com/wsapi
  • wss://secure.example.com/wsapi
• 与 HTTP 不同的是，WebSocket 需要先建立连接。
  • 这就使得 WebSocket 成为一种有状态的协议，之后通信时可以省略部分状态信息
  • 而 HTTP 请求可能需要在每个请求都额外携带状态信息（如身份认证等）

2.1：建立连接

WebSocket 需要借助 HTTP 协议来建立连接（也叫作 Handshake，握手）。

由客户端（浏览器）主动发出握手请求。

GUID：https://tools.ietf.org/html/rfc4122
SHA-1 摘要计算：http://encode.chahuo.com
Hex To Base64编码：https://base64.guru/converter/encode/hex

3：WebService

WebService（Web 服务），是一种跨编程语言和跨操作系统的远程调用技术标准。

WebService 使用场景举例：

• 天气预报、手机归属地查询、航班信息查询、物流信息查询等
• 比如天气预报，是气象局把自己的服务以 WebService 形式暴露出来，让第三方程序可以调用这些服务功能
• http://www.webxml.com.cn/zh_cn/index.aspx

事实上，WebService 完全可以用普通的 Web API 取代（比如 HTTP + JSON ）

现在很多企业的开放平台都是直接采用 Web API。

3.1：SOAP

SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议）。

• 很多时候，SOAP = HTTP + XML
• WebService 使用 SOAP 协议封装传递数据

3.2：WSDL

WSDL（Web Services Description Language，Web 服务描述语言）。

• 一个 XML 文档，用以描述 WebService 接口的细节（比如参数、返回值等）
• 一般在 WebService 的 URL 后面跟上 ?wsdl 获取 WSDL 信息。

http://ws.webxml.com.cn/WebServices/WeatherWS.asmx?wsdl

4：HTTPDNS

HTTPDNS：基于 HTTP 协议向 DNS 服务器发送域名解析请求。

• 替代了基于 DNS 协议向运营商 Local DNS 发起解析请求的传统方式
• 可以避免 Local DNS 造成的域名劫持和跨网访问问题
• 常用在移动互联网中（比如在 Android、iOS 开发中）

HTTPDNS 的使用

• 市面上已经有现成的解决方案
  腾讯云：https://cloud.tencent.com/product/httpdns

• 移动端集成相关的 SDK 即可使用 HTTPDNS 服务

5：FTP

FTP（File Transport Protocol），文件传输协议。RFC 959 定义了此规范，是基于 TCP 的应用层协议。

RFC 1738 中有定义，FTP 的 URL 格式为：ftp://user:password@host:port/url-path

连接模式：

FTP 有 2 种连接模式：主动（Active）和被动（Passive）。

不管是哪种模式，都需要客户端和服务器建立 2 个连接：

• 控制连接：用于传输状态信息（命令，command）
• 数据连接：用于传输文件和目录信息（data）

5.1：主动模式

5.2：被动模式

6：邮件

6.1：相关协议

• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol），简单邮件传输协议

  • 发邮件使用的协议
  • 基于 TCP，标准参考 RFC 5321
  • 服务器默认使用 25 端口，SSL/TLS 使用 465 端口

• POP（Post Office Protocol），邮局协议

  • 收邮件使用的协议
  • 基于 TCP，最新版是 POP3，标准参考 RFC 1939
  • 服务器默认使用 110 端口，SSL/TLS 使用 995 端口

• IMAP（Internet Message Access Protocol），因特网信息访问协议

  • 基于 TCP，最新版是 IMAP4，标准参考 RFC 3501
  • 服务器默认使用 143 端口，SSL/TLS 使用 993 端口

6.1：邮件收发过程

6.2：POP vs IMAP

POP 的特点：

• 客户端连接服务器时，将会从服务器下载所有邮件
• 可以设置下载完后，立即或一段时间后删除服务器邮件
• 客户端的操作（比如删除邮件、移动到文件夹）不会跟服务器同步
• 每个客户端都是独立的，都可以获得其自己的电子邮件副本

IMAP 的特点：

• 客户端连接服务器时，获取的是服务器上邮件的基本信息（如列表），并不会下载邮件
• 等打开邮件时，才开始下载邮件
• 客户端的操作（比如删除邮件、移动到文件夹）会跟服务器同步
• 所有客户端始终会看到相同的邮件和相同的文件夹

7：即时通信

即时通信（Instant Messaging，IM），平时用的 QQ、微信，都属于典型的 IM 应用。

国内的 IM 开发者社区：http://www.52im.net/

IM 云服务：网易云信、腾讯云、环信等

常用协议：XMPP、MQTT、自定义协议。

7.1：XMPP

XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol），可扩展消息与存在协议。

• 前身是 Jabber
• 基于 TCP，默认端口 5222、5269

特点：

• 使用 XML 格式进行传输，体积较大
• 专为 IM 而开发的、比较成熟的 IM 协议，开发者接入方便

7.2：MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），消息队列遥测传输。

• 基于 TCP，默认端口 1883、8883（带 SSL/TLS）

特点：

• 开销很小，以降低网络流量，信息冗余远小于 XMPP
• 不是专门为 IM 设计的协议，很多功能需要自己实现
• 很多人认为 MQTT 是最适合物联网（Internet of Things，IoT）的网络协议

8：流媒体

流媒体（Streaming Media），又叫流式媒体，指将一连串的多媒体数据压缩后，经过互联网分段发送数据，在互联网上即时传输影音以供观赏的一种技术。

此技术使得资料数据包得以像流水一样发送，不使用此技术，就必须在使用前下载整个媒体文件。

8.1：常见协议

RTP（Real-Time Transport Protocol），实时传输协议

• 基于 UDP
• 参考：RFC 3550、RFC 3551

RTCP（Real-Time Transport Control Protocol），实时传输控制协议

• 基于 UDP，使用 RTP 的下一个端口
• 参考：RFC 3550

RTSP（Real-Time Streaming Protocol），实时流协议

• 基于 TCP、UDP 的 554 端口
• 参考：RFC 7820

RTMP（Real-Time Messaging Protocol），实时消息传输协议

• 默认基于 TCP 的 1935 端口
• 由 Adobe 公司出品

HLS（HTTP Live Streaming）

• 基于 HTTP 的流媒体网络传输协议
• 苹果公司出品，参考：RFC 821

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人生自是有情痴，此恨不关风与月。

——《玉楼春》（宋）欧阳修