電子郵件是因特網(wǎng)上最為流行的應用之一。如同郵遞員分發(fā)投遞傳統(tǒng)郵件一樣，電子郵件也是異步的，也就是說人們是在方便的時候發(fā)送和閱讀郵件的，無須預先與別人協(xié)同。與傳統(tǒng)郵件不同的是，電子郵件既迅速，又易于分發(fā)，而且成本低廉。另外，現(xiàn)代的電子郵件消息可以包含超鏈接、HTML格式文本、圖像、聲音甚至視頻數(shù)據(jù)。我們將在本文中查看處于因特網(wǎng)電子郵件核心地位的應用層協(xié)議。但在深入討論這些協(xié)議之前，讓我們先概覽一下因特網(wǎng)郵件系統(tǒng)及其重要部件。

下圖展示了因特網(wǎng)郵件系統(tǒng)的高層概貌。我們看到，該系統(tǒng)由三類主要部件構(gòu)成:用戶代理、郵件服務器利簡單郵件傳送協(xié)議(simple Mail Transfer Protocol，簡稱SMTP)。我們將在這樣的上下文中說明每類部件:發(fā)信人A1ice給收傳人Bob發(fā)送一個電于郵件消息。用戶代理允許用戶閱讀、回復、轉(zhuǎn)寄、保存和編寫郵件消息(電子郵件的用戶代理有時稱為郵件閱讀器，不過我們在本文中避免使用這個說法)。Alice寫完電子郵件消息后，她的用戶代理把這個消息發(fā)送給郵件服務器，再由該郵件服務器把這個消息排入外出消息隊列中。當Bob想閱讀電子郵件消息時，他的用戶代理將從他在其郵件服務器上的郵箱中取得郵件。20世紀90年代后期，圖形用戶界面(GUI)的電子郵件用戶代理變得流行起來，它們允許用戶閱讀和編寫多媒體消息。當前流行的用戶代理包括Ootlook,foxmail等。公共域中還有許多基于文本的電于郵件用戶代理，包括mail、pine和elm。

圖1 因特網(wǎng)電子郵件系統(tǒng)概貌

郵件服務器構(gòu)成了電子郵件系統(tǒng)的核心。每個收信人都有一個位于某個郵件服務器上的郵箱(mailbox)。Bob的郵箱用于管理和維護已經(jīng)發(fā)送給他的郵件消息。一個郵件消息的典型旅程是從發(fā)信人的用戶代理開始，游經(jīng)發(fā)信人的郵件服務器，中轉(zhuǎn)到收信人的郵件服務器，然后投遞到收信人的郵箱中。當Bob想查看自己的郵箱中的郵件消息時，存放該郵箱的郵件服務器將以他提供的用戶名和口令認證他。Alice的郵件服務器還得處理Bob的郵件服務器出故障酌情況。如果Alice的郵件服務器無法把郵件消息立即遞送到Bob的郵件服務器，A1ice的服務器就把它們存放在消息隊列(message queue)中，以后再嘗試遞送。這種嘗試通常每30分鐘左右執(zhí)行一次:要是過了若干天仍未嘗試成功，該服務器就把這個消息從消息隊列中去除掉，同時以另一個郵件消息通知發(fā)信人(即Alice)。

簡單郵件傳送協(xié)議(SMTP)是因特網(wǎng)電子郵件系統(tǒng)首要的應用層協(xié)議。它使用由TCP提供的可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務把郵件消息從發(fā)信人的郵件服務器傳送到收信人的郵件服務器。跟大多數(shù)應用層協(xié)議一樣，SMTP也存在兩個端:在發(fā)信人的郵件服務器上執(zhí)行的客戶端和在收信人的郵件服務器上執(zhí)行的服務器端。SMlP的客戶端和服務器端同時運行在每個郵件服務器上。當一個郵件服務器在向其他郵件服務器發(fā)送郵件消息時，它是作為SMTP客戶在運行。當一個郵件服務器從其他郵件服務器接收郵件消息時，它是作為SMTP服務器在運行。

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SMTP

SMTP在RFC 821中定義，它的作用是把郵件消息從發(fā)信人的郵件服務器傳送到收信人的郵件服務器。SMIP的歷史比HTTP早得多，其RFC是在1982年編寫的，而SMTP的現(xiàn)實使用又在此前多年就有了。盡管SMTP有許多奇妙的品質(zhì)(它在因特網(wǎng)上的無所不在就是見證)，但卻是一種擁有某些“古老”特征的傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)。例如，它限制所有郵件消息的信體(而不僅僅是信頭)必須是簡單的7位ASCII字符格式。這個限制在20世紀80年代早期是有意義的，當時因特網(wǎng)傳輸能力不足，沒有人在電子郵件巾附帶大數(shù)據(jù)量酌圖像、音頻或視頻文件。然而到了多媒體時代的今天，這個限制就多少顯得局促了——它迫使二進制多媒體數(shù)據(jù)在文由SMTP傳送之前首先編碼成7位ASCII文本;SMTP傳送完畢之后，再把相應的7位ASCII文本郵件消息解碼成二進制數(shù)據(jù)。HTTP不需要對多媒體數(shù)據(jù)進行這樣的編碼解碼操作。

下面我們通過查看一個常見的情形來說明SMTP的基本操作。假設(shè)Alice給Bob發(fā)送一個簡單的ASCII文本郵件消息:

●Alice調(diào)用自己的電子郵件用戶代理，給出Bob的電子郵件地址(譬如說bob@someschool.edu)，寫好郵件內(nèi)容，然后讓用戶代理發(fā)送本郵件消息。

●Alice的用戶代理把該郵件消息發(fā)送到她的郵件服務器中，由郵件服務器把該消息排人某個消息隊列中。

●運行在A1ice的郵什服務器上的SMTP客戶端看到消息隊列中的這個郵件消息后，打開一個到運行在Bob的郵件服務器主機上的SMTP服務器端的TCP連接。

●經(jīng)過最初的一些SMTP握手之后，SMTP客戶把A1ice的郵件消息發(fā)送到TCP連接上。

●在Bob的郵件服務器主機上，SMTP服務器收到這個郵件消息后，把這個消息投遞到Bob的郵箱中。

●Bob在方便的時候調(diào)用自己的電子郵件用戶代理閱讀該郵件消息。

圖2展示了上述情形。

圖2 alice的郵件服務器把郵件消息傳送到Bob的郵件服務器

需注意的是，SMTP通常不使用中間的郵件服務器主機中轉(zhuǎn)郵件，即便源端和目的端郵件服務器主機位于地球上相反的位置也一樣。假設(shè)Aiice的郵件服務器主機在香港，Bob的郵件服務器主機在阿拉巴馬州，那么所建立的TCP連接將是這兩臺服務器主機之間的連接。具體地說，如果Bob的郵件服務器不工作了，那么A1ice發(fā)給Bob的郵件消息將存留在Alice的郵件服務器中等待新的嘗試，而不會存放到某個中間的郵件服務器中。

下面查看SWPT把郵件消息從發(fā)送端郵件服務器傳送到接收端郵件服務器的具體過程。我們將看到，SMTP協(xié)議與人們用于面對面交互的禮儀之間有許多相似之處。首先，運行在發(fā)送端郵件服務器主機上的SMTP客戶，發(fā)起建立一個到運行在接收端郵件服務器主機上的SMTP服務器端口號25之間的TCP連接。如果接收郵件服務器當前不在工作，SMTP客戶就等待一段時間后再嘗試建立該連接。這個連接建立之后，SMTP客戶和服務器先執(zhí)行一些應用層握手操作。就像人們在轉(zhuǎn)手東西之前往往先自我介紹那樣，SMTP客戶和服務器也在傳送信息之前先自我介紹一下。在這個SMTP握手階段，SMTP客戶向服務器分別指出發(fā)信人和收信人的電子郵件地址。彼此自我介紹完畢之后，客戶發(fā)出郵件消息。SMTP可以指望由TCP提供的可靠數(shù)據(jù)傳輸服務把該消息無錯地傳送到服務器。如果客戶還有其他郵件消息需發(fā)送到同一個服務器，它就在同一個TCP連接上重復上述過程;否則，它就指示TCP關(guān)閉該連接。

讓我們看一個客戶(C)和服務器(S)交互的例子。客戶所在主機名為crepes.fr，服務器所在主機名為hamburger.edu。前面標以“C:”的ASCII文本行是客戶發(fā)送到它的TCP套接字中的完整文本行，前面標以“S:”的ASCII文本行是服務器發(fā)送到它的TCP套接字中的完整文本行。以下傳輸腳本在TCP連接建立之后馬上發(fā)生:

S:220 hamburger.edu

C:HELO crepes.fr

S:250 Hello crepes.fr,pleased to meet you

C:MAIL FROM:

S:250 alice@crepes.fr ... Serder OK

C:RCPT TO:

S:250 bob@hamburger.edu...Recipient OK

C:DATA

S:354 Enter mail,end with "." on a line by its self

C:Do you like ketchup?

C:How about pickles?

C:.

S;250 Message accepted for delivery

C:QUIT

S:221 hamburger.edu cloing connection

在這個例子中，客戶發(fā)送了一個從郵件服務器主機crepes.fr到hamburger.edu的郵件消息，信體內(nèi)容為:“Do you like ketchup?How about pickles?”。客戶總共發(fā)出了5個命令，分別為:HELO，MAIL FROM，RCPT TO，DATA和QUIT。這些命令的含義是不言自明的。服務器給每個命令發(fā)回應答，其中每個應答都由應答碼和一些英語解釋(可選)構(gòu)成。這里需指出的是，SMTP使用持久連接，也就是說，如果發(fā)送郵件服務器有多個郵件消息需發(fā)送到同一個接收郵件服務器，那么所有這些消息可以在同一個TCP連接中發(fā)送。對于其中的每一個消息，客戶以一個新的“HELO crepes.fr”命令開始整個消息發(fā)送過程，但是QUIT命令要等到所有消息都發(fā)送完之后才發(fā)出。

我們可以嘗試使用nc工具直接與SMTP服務器進行對話。首先指定使用SMTP端口號25連接到某臺郵件服務器主機，這樣就在本地主機和該郵件服務器主機之間建立了一個SMTP使用的TCP連接。登錄完畢之后，應該立即收到來服務器的應答，接著就可以在合適的時刻依次發(fā)出現(xiàn)SMTP命令了。如果你連接到你朋友的5MTP服務器，就可以用這種方式向你的朋友發(fā)送郵件了(也就是說，不必使用郵件用戶代理)。當然你也可以使用更常見的telnet工具，不過我發(fā)現(xiàn)用telnet建立起連接后常會遇到一些輸入方面的問題。

與HTTP的比較

我們簡單地比較一下SMTP和HTTP。這兩個協(xié)議都是用于從一臺主機向另一臺主機傳送文件;HTTP用于從web服務器向Web用戶代理(即瀏覽器)傳送文件(或?qū)ο?，SMTP用于從一個郵件服務器向另一個郵件服務器傳送文件(也就是電子郵件消息)。在傳送文件時，SMTP和持久HTTP都使用持久連接。可見，這兩個協(xié)議具有一些共同的特征，不過它們之間的差別也是顯著的。首先，HTTP基本上是一個內(nèi)拉式協(xié)議(pull protocol)——有人把信息上傳到web服務器中，用戶則在方便的時候使用HTTP把這些信息從服務器上拉過來。更確切地說，TCP連接是由想要接收文件的主機發(fā)起的。SMIP則基本上是一個外推式協(xié)議(pushProtoco1)——發(fā)送端郵件服務器把文件推送給接收端郵件服務器。更確切地說，TCP連接是由想要發(fā)送文件的主機發(fā)起的。

SMTP和HTTP的第二個重要差別是，SMTP要求包括信體部分在內(nèi)的每個郵件消息都是7位ASCII文本格式。