コンピュータ・ネットワーク(6) -アプリケーション層-
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目次
アプリケーション層は、OSI参照モデルや5階層TCP/IPモデル、4階層TCP/IPモデルなどで最も上位の層である。
| アプリケーション層 |
| トランスポート層 |
| ネットワーク層 |
| データリンク層 |
| 物理層 |
ポート番号
5階層TCP/IPモデルでは、アプリケーション層の各プロトコルはトランスポート層で提供されるポートを利用する。そして、いくつかの有名なプロトコルでは、サーバで利用するポート番号がICANNによって標準化されている。また、それ以外の多くのプロトコルも使用するポート番号が明示されている。
| ウェルノウンポート番号(well-known ports) | 0-1023 | ICANNで登録されているポート番号の範囲のうち有名なもの |
| 登録済みポート番号 | 1024-49151 | ICANNで登録されているポート番号の範囲 |
| プライベート(ダイナミック)ポート番号 | 49152-65535 | ユーザやアプリケーションが自由に利用できるポート番号の範囲。多くの場合、クライアントアプリが必要に応じて動的に使用する。 |
ウェルノウンポート番号(0-1023)
| TCP/UDP | ポート番号 | プロトコル名 | 機能 | サーバ例 | クライアント例 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TCP,UDP | 7 | ECHO | 基本的にテスト用途で使用される。送られたデータをそのまま返す | |||
| TCP | 20 | FTP | File Transfer Protocol | ファイル送受信のためのプロトコル。データ転送用 |
| |
| TCP | 21 | ファイル送受信のためのプロトコル。制御用 | ||||
| TCP | 22 | SSH | Secure SHell | 暗号や認証技術を用いた安全な通信やリモートログインのためのプロトコル。 |
|
|
| TCP,UDP | 25 | SMTP | Simple Mail Transfer Protocol | 電子メールの送受信に使用するプロトコル。 |
|
|
| TCP,UDP | 42 | WINS | Windows Internet Naming Service | Microsoft Windowsネットワーク上のコンピュータ名をIPアドレスに変換するためのプロトコル。宛先不明のため、クライアントはブロードキャストで問い合わせを行う。 | ||
| TCP | 43 | WHOIS | ドメイン名やIPアドレスなどの所有者情報を取得するためのプロトコル。 |
| ||
| TCP,UDP | 53 | DNS | Domain Name System | IPアドレスとドメイン名の対応情報を取得するためのプロトコル。 |
|
|
| TCP,UDP | 80 | HTTP | HyperText Transfer Protocol | HTMLや画像、テキストなどの送受信のためのプロトコル。 | Webサーバ
|
Webブラウザ
|
| UDP | 123 | NTP | Network Time Protocol | マシンの時間を同期するためのプロトコル。 |
| |
| TCP | 443 | HTTP over SSL | SSL通信を用いたSMTP | |||
| TCP | 465 | SMTP over SSL | SSL通信を用いたSMTP | |||
登録済みポート番号(1024-49151)
| TCP/UDP | ポート番号 | プロトコル名 | 機能 | サーバ例 | クライアント例 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TCP,UDP | 1194 | OpenVPN | オープンソースのVirtual Private Networkソフトウェアのためのプロトコル。 | |||
| TCP,UDP | 1293 | IPSec | Internet Protocol Security | IPパケット単位でのデータ改ざん防止や秘匿機能を提供するためのプロトコル。 | ||
| TCP,UDP | 3389 | RDP | Remote Desktop Protocol | Microsoftが開発しているリモートデスクトップサービスのためのプロトコル。 |
| |
| TCP,UDP | 5900 | VNC | Virtual Network Computing | リモートデスクトップ方式のためのプロトコル。 | ||
| TCP | 6000 | X11 | ネットワーク経由でXを利用するためのプロトコル。 | |||
| UDP | 6001 | |||||
| TCP | 8080 | HTTPの代替 | HTTPのプロキシサーバやキャッシュサーバなどに使用される。 | |||
プライベート(ダイナミック)ポート番号(49152-65535)
多くのプロトコルでは、クライアントアプリケーションが使用するポート番号は、プライベートポート番号の中で使われていないもの無作為に動的に使用する。例えば、WebブラウザでHTTP(80番ポート)のサイトにアクセスする際のパケット解析した結果の一部を示す。
user% tcpdump -n -X dst port 443 -i wlan0
06:29:52.791584 IP 192.168.1.14.60063 > 183.77.202.242.80: Flags
[S], seq 1904628341, win 14600, options [mss 1460,sackOK,TS val
104657554 ecr 0,nop,wscale 4], length 0
この解析後すぐにサーバとクライアントのTCPポートを確認すると、それぞれ次のような結果となる。
- サーバ
uesr% telnet 183.77.202.242 80 Trying 183.77.202.242... Connected to 183.77.202.242. Escape character is '^]'.- クライアント
uesr% telnet localhost 60063 Trying ::1... Trying 127.0.0.1... telnet: Unable to connect to remote host: Connection refused
また、同じクライアントアプリを起動し直して再度同じページにアクセスしてもクライアントが使用するポート番号が同じであるとは限らない。
user% tcpdump -n -X dst port 443 -i wlan0
06:34:15.218947 IP 192.168.1.14.60082 > 183.77.202.242.80: Flags
[F.], seq 2386135769, ack 94445475, win 2641, options [nop,nop,TS val
104723161 ecr 2033111718], length 0
前の例では、クライアントアプリは60063番ポートを使用したが、今回は60082番ポートを使用している。このように、クライアントアプリは、49152番から65535番のポート番号を動的に使用する。
TCP
トランスポート層のTCPは、高品質なデータ通信を可能にする。アプリケーション層では、これを利用したものがいくつもある。それらはユーザに対して、さまざまなものを提供する。
- テキスト
- メッセージ
- 音声
- 動画
telnet
telnetコマンドを使用すると、ユーザは簡単にTCPのサービスを受けることができる。telnetは指定したIPアドレスのポート番号に対し、ユーザが入力した文字列を送信する。本稿では、これを利用してHTTPやSMTP、POP3などのプロトコルを説明する。
Web(HTTP)
WWW(World Wide Web)上でテキストや画像などのデータを通信するのに使用されている代表的なプロトコルが、HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)である。HTTPサーバは基本的にTCPポートの80番を使用し、クライアントが要求したテキストや画像などを送信する。HTTPクライアントとして最も有名なアプリケーションがWebブラウザである。Webブラウザにはさまざまな種類がある。
- Internet Explorer
- Firefox
- Google Chrome
- Safari
ユーザの中にはWebブラウザが表示したWebページを、Web(HTTP)サーバが提供している画面だと認識しているかもしれない。しかしHTTPクライアントが取得するデータは、基本的にHTML(Hyper Text Markup Language)という形式のテキストである。HTTPのバージョン1.0では、クライアントは次のようにGETメソッドを使用してHTMLテキストを取得できる。
user% telnet pied-piper.net 80 Trying ::1... Connected to pied-piper.net. Escape character is '^]'. GET /index.html HTTP/1.0 HTTP/1.1 200 OK Date: Mon, 14 Apr 2014 15:34:24 GMT Server: Apache/2.2.22 (Debian) Last-Modified: Sat, 21 Sep 2013 17:22:33 GMT ETag: "6a2c55-b1-4e6e8084eb7e3" Accept-Ranges: bytes Content-Length: 177 Vary: Accept-Encoding Connection: close Content-Type: text/html; charset=UTF-8 <html><body><h1>It works!</h1> <p>This is the default web page for this server.</p> <p>The web server software is running but no content has been added, yet.</p> </body></html> Connection closed by foreign host.HTTPの仕様についてはRFCを参照されたし。
| バージョン | RFC |
|---|---|
| HTTP/1.0 | RFC 1945 |
| HTTP/1.1 | RFC 2616 |
HTML(Hyper Text Markup Language)
HTTPは基本的にHTMLという形式のテキストを転送する。HTMLはマークアップ言語とよばれるコンピュータ言語の一種である。マークアップ言語はタグという文字列を使って、各文章を意味付けできる。例えば<h1>ハロー</h1>は"ハロー"という文字列が文中の最大レベルの見出しであることを示す。タグは基本的にマークしたい文字列を囲うことで意味付けする。以下にサンプルコードを示す。
<html><body><h1>It works!</h1>
<p>This is the default web page for this server.</p>
<p>The web server software is running but no content has been added,
yet.</p>
</body></html>
- <html>-</html>
- HTMLの文
- <body>-</body>
- 本文
- <h1>-</h1>
- 見出し レベル1-6(1が最大)
- <p>-</p>
- 段落
HTMLレンダリングエンジン
WebブラウザはHTMLを受け取るとそれを読み込み、解釈してユーザに分かりやすい形で表現する。前述で紹介したWebブラウザの場合、HTMLを視覚的に見やすい形で表現する。前述のサンプルを表現した例が次の通りである。
- CSS(Cascading Style Sheets)
- HTMLの視覚的情報を指定する情報。例えば文字の色や大きさなどがある。
- JavaScript
- 動的なWebサイトを構築するためのプログラミング言語。HTTPのクライアントであるWebブラウザによって読み込まれ、処理される。
| HTMLレンダリングエンジン | Webブラウザ |
|---|---|
| Trident |
|
| Gecko |
|
| WebKit |
|
WebKitライブラリ
オープンソースのHTMLレンダリングエンジンであるWebKitを使用したプログラミングのサンプルを以下に示す。
#!/usr/bin/python2.7
import gtk
import webkit
win = gtk.Window()
web = webkit.WebView()
web.open("http://www.google.co.jp")
win.add(web)
win.show_all()
電子メール(SMTP, POP3)
電子メールとは、コンピュータネットワークを使って、メッセージやファイルなどのデータの送受信を行う手段のこと。電子メールはメールやEメールなどと略される。本稿ではメールと記述する。
メールの機能は、メールサーバとメールクライアントによって実装される。
- メールクライアント
- ユーザはメールクライアントによってメールサービスを受けることができる。メールクライアントの機能は、メールサーバに保存されているメールを受け取ったり、メールサーバに頼んでメールを送ってもらったりする。
- メールサーバ
- メールの転送は各メールサーバが行う。
メールの送信から受信までの流れ
メールの実装にはアプリケーション層のいくつかのプロトコルが使用される。
| プロトコル | 機能 | ポート |
|---|---|---|
| POP3(Post Office Protocol version3) | メールサーバからメールを受け取る(POPとIMAPそれぞれに利点と欠点がある)。 | tcp/110 |
| IMAP(Internet Message Access Protocol) | tcp/143, tcp/220 | |
| SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) | メールを転送する。 | tcp/25 |
- メールクライアントはSMTPクライアントとして、自身のドメインのメールサーバのSMTPサーバ機能に対して、送信要求を行う。
- SMTPサーバはメールの宛先が自身のドメインであれば、設定されたメールボックスにそれを追加する。それ以外の場合、その宛先ドメインのメールサーバのSMTPサーバ機能に対し、SMTPクライアントとして送信要求を行う。
- 受信するユーザは、POP3やIMAPクライアントでメールサーバにアクセスすることで、自身宛に届いたメールを受け取ることができる。
電子メールの仕組み
メールは5つのプログラム(機能)によって構成される。以下にそれらのプログラムとメールの流れを紹介する。
- MUA(Mail User Agent)
- いわゆるメールクライアントのこと。他にもメーラ、メールリーダなどと呼ばれる。
- MTA(Mail Transfer Agent)
- メールを別のメールサーバに送信したりMDAに渡したりするもの。
- MDA(Mail Delivery Agent)
- MTAから受け取ったメールをメールボックスに保存するもの。
- MRA(Mail Retrieval Agent)
- メールを受信するもの。
- MSA(Mail Submission Agent)
- MUAとMTAの間で認証などを行うもの。メールの仕組みができたばかりのころはなかったが、現在はセキュリティのためにMSAを間に置くのが主流。
メールクライアント
前述のHTTPのサンプルと同様に、telnetを使ってSMTPとPOP3のサーバにアクセスした例を以下に示す。
- SMTP
user% telnet 192.168.1.101 25 Trying 192.168.1.101... Connected to versus. Escape character is '^]'. 220 pied-piper.net ESMTP HELO pied-piper.net 250 pied-piper.net MAIL FROM: me@pied-piper.net 250 ok RCPT TO: user@pied-piper.net 250 ok DATA 354 go ahead From: me@pied-piper.net Subject: test Hello, User . 250 ok 1397490184 qp 6800 QUIT 221 pied-piper.net Connection closed by foreign host.
ちなみにSMTPの通信には，DATA以前に入力した情報を使用し，それ以降はメールヘッダのために使用する。 それゆえヘッダ部分は，偽装することも可能であるが，いくつかのSMTPサーバは，そのような怪しいメールの受け取りを拒否する。- POP3
user% telnet 192.168.1.101 110 Trying 192.168.1.101... Connected to versus. Escape character is '^]'. +OK <6798.1397490101@pied-piper.net> USER user +OK PASS hogehoge +OK STAT +OK 125 3714019 LIST +OK 1 754 2 1846 3 782 RETR 1 +OK Return-Path: <user@pied-piper.net> Delivered-To: user@pied-piper.net Received: (qmail 6615 invoked by uid 0); 15 Apr 2014 00:22:33 +0900 Received: from unknown (HELO pied-piper.net) (192.168.1.111) by 192.168.1.101 with SMTP; 15 Apr 2014 00:22:33 +0900 From: me@pied-piper.net Subject: test Hello, User .
QUIT +OK Connection closed by foreign host.
SMTP,POP3プログラミング
SMTPやPOP3ライブラリを使用したサンプルコードを以下に示す。
- SMTP
#!/usr/bin/python2.7 import smtplib,email.utils from email.mime.text import MIMEText FROM = "i@pied-piper.net" TO = "you@example.pied-piper.net" msg = MIMEText('This is the body of the message.') msg['To'] = email.utils.formataddr(('You', TO)) msg['From'] = email.utils.formataddr(('O_Messiaen', FROM)) msg['Subject'] = 'Hello' server = smtplib.SMTP('192.168.1.101', 25) server.set_debuglevel(True) # show communication with the server try: server.sendmail(FROM, [TO], msg.as_string()) finally: server.quit()- POP3
#!/usr/bin/python2.7 import poplib pop3 = poplib.POP3("192.168.1.201", 110) pop3.user("user") pop3.pass_("hogehoge") retr = pop3.retr(len(pop3.list()[1])) "\n".join(retr[1])
セッション層
OSI参照モデル(7階層モデル)では，アプリケーション層とトランスポート層の間に，プレゼンテーション層とセッション層がある。セッション層では，通信の開始時や終了時などに送受信するデータの形式などを規定する。セッション層には例えばSSL(Secure Socket Layer)がある。SSLの詳細は省略するが，それは階層の上位のレイヤに対して暗号化や認証，完全性を提供する。昨今，httpやsmtp，pop3などのアプリケーション層のプロトコルを安全に利用するために，SSLを利用することは珍しくない。
以下にSMTP-SSLの利用例を示す。ここではopensslコマンドを使用する。opensslの機能はさまざまあり，引数としてコマンドを指定する。 以下の例では，s_clientを使用する。telnetやnc(netcat)がTCP(トランスポート層)での通信を提供するソフトウェアと考えるなら，opensslのs_clientコマンドはSSL(セッション層)での通信を提供するソフトウェアと考えれば良い。オプションの詳細については"man s_client"で閲覧できる。
user% openssl s_client -connect smtp.gmail.com:465 -crlf -ign_eof
CONNECTED(00000003)
depth=2 C = US, O = GeoTrust Inc., CN = GeoTrust Global CA
verify error:num=20:unable to get local issuer certificate
verify return:0
---
Certificate chain
0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google Inc/CN=smtp.gmail.com
i:/C=US/O=Google Inc/CN=Google Internet Authority G2
1 s:/C=US/O=Google Inc/CN=Google Internet Authority G2
i:/C=US/O=GeoTrust Inc./CN=GeoTrust Global CA
2 s:/C=US/O=GeoTrust Inc./CN=GeoTrust Global CA
i:/C=US/O=Equifax/OU=Equifax Secure Certificate Authority
---
Server certificate
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEdjCCA16gAwIBAgIIGcMF7jeVMoAwDQYJKoZIhvcNAQEFBQAwSTELMAkGA1UE
ー中略ー
Verify return code: 20 (unable to get local issuer certificate)
---
220 mx.google.com ESMTP n7sm9349346pdl.90 - gsmtp
EHLO localhost
250-mx.google.com at your service, [153.198.XXX.XXX]
250-SIZE 35882577
250-8BITMIME
250-AUTH LOGIN PLAIN XOAUTH XOAUTH2 PLAIN-CLIENTTOKEN OAUTHBEARER
250-ENHANCEDSTATUSCODES
250-PIPELINING
250-CHUNKING
250 SMTPUTF8
認証方法を入力する。
AUTH LOGIN
334 VXNlcm5hbWU6
AUTH LOGINで認証を行う場合，ユーザ名とパスワードをそれぞれbase64でエンコードしたものを使用する。ここでXXXXXXXXXXはユーザ名をエンコードしたもの，YYYYYYYYYYはパスワードをエンコードしたものである。
XXXXXXXXXX 334 UGFzc3dvcmQ6 YYYYYYYYYY 235 2.7.0 Acceptedエンコードは，次のようにbase64コマンドやopensslのencコマンドで行うことができる。また，opensslのencコマンドのマニュアルはs_clientと同様"man enc"で閲覧できる。
user% echo "me@gmail.com" | base64 bWVAZ21haWwuY29tCg=user% echo "me@gmail.com" | openssl enc -e -base64 bWVAZ21haWwuY29tCg=
MAIL From: <me@gmail.com> 250 2.1.0 OK n7sm9349346pdl.90 - gsmtp RCPT To: <you@gmail.com> 250 2.1.5 OK n7sm9349346pdl.90 - gsmtp DATA 354 Go ahead n7sm9349346pdl.90 - gsmtp Subject: html-mail Mime-Version: 1.0; Content-Type: text/html; charset="ISO-8859-1"; Content-Transfer-Encoding: 7bit; <!DOCTYPE HTML> <html lang="ja-JP"> <body> <h1>こんにちわ</h1> </body> <html> . 250 2.0.0 OK 1413388691 n7sm9349346pdl.90 - gsmtp QUIT 221 2.0.0 closing connection n7sm9349346pdl.90 - gsmtp read:errno=0