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邮箱基础协议：SMTP/POP3/IMAP

电子邮件的组成：信封、首部和正文

电子邮件由三部分组成，下图是 Client 发送的整个数据：邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图1

  1. 信封（envelope）信封是 MTA 用来交付的，在上例中由两个 SMTP 命令指明；MAIL From:rstevens@sun.tuc.noao.eduRCPT To:estevens@noao.edu
  2. 首部（header）首部由用户代理使用，上例中可以看到 9 个首部字段：Recived、Message-Id、From、Date、Reply-To、X-Phone、X-Mailer、To 和 Subject（以 X- 开头的是用户定义的字段，其他是由 RFC 822 定义的，详见 4.1 节）
  3. 正文（body）正文是发送用户发给接收用户报文的内容，RFC 822指定正文为NVT ASCII文字行，用 DATA 命令发送的各行都必须小于 1000 字节

用户接收我们指定为正文的部分，加上一些首部字段，并把结果传到 MTA；MTA 加上一些首部字段，加上信封，并把结果发送到另一个 MTA
（更多实现细节，详见RFC 2821）

用 TCP 进行的邮件交换是由报文传送代理 MTA（Message Transfer Agent）完成的。
TCP/IP 交换电子邮件示意图：邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图2

邮件基础协议

邮件基础的网络协议有以下三个，一般我们使用 SMTP 协议来发送邮件，POP3 和 IMAP 协议来接收邮件（从服务端接收邮件至客户端）

  • 下表中 IMAP 协议支持发送邮件并不是邮件投递，而是通过 append 指令将邮件从客户端上传到服务端 | 协议 | 工作端口(括号内为 SSL) | 支持发送邮件 | 支持接收邮件 | | —- | —- | —- | —- | | SMTP | 25(465) | True | False | | POP3 | 110(995) | False | True | | IMAP | 143(993) | True | True |

SMTP

两个 MTA 之间通过 NVT ASCII 进行通信，客户向服务器发出命令，服务器用数字应答码和可选的人可读字符串进行响应下图是 SMTP 的一个交互会话过程：邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图3

  1. 键入 mail -v 启动用户代理； 键入 subject（主题）和正文
  2. 主动打开 port:25 ；等待从 Server 返回的问候报文（应答码220）
  3. HELO：标识自己（参数必须是合格的主机名）
  4. MAIL：标识报文发起人
  5. RCPT：标识接收方（可发多次，标识多个接收方）
  6. DATA：邮件报文内容
  7. QUIT：结束邮件交换

下图是发送方 SMTP（Client）和接收方 SMTP（Server）之间的一个 SMTP 连接：邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图4

SMTP 指令

最小SMTP支持 8 个命令，除了上述 5 个命令还有：

  • RSET：异常中止当前的邮件事务并使两端复位。丢掉所有有关发送方、接收方或邮件的存储信息
  • VRFY：使客户询问发送方以验证接收方地址，而无需向发送方发送邮件（通常用与管理员查找邮件交付差错中使用）
  • NOOP：强迫服务器响应一个OK应答码（200）

（另外还有一些附加可选命令）
SMTP 用半双工的形式使用 TCP，客户发送一个命令后停止等待应答；实际上 Client 可以一次发多个命令，称为流水线技术（pipelining）
如果使用了这种技术，Client 则不能丢弃报文直到所有的应答都已检查过，确认报文被服务器接收了

使用 Telnet 模拟 SMTP 发送邮件

邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图5

POP3

POP3 协议相对 SMTP/IMAP 要简单一些，协议的指令也不多邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图6

POP3 的生命周期

邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图7
POP3 命令以 CRLF 对结束，特定命令多行响应，以 CRLF.CRLF 结束
在服务器打开邮件后，它为每个消息指定一个消息号，并以八进制表示每个消息的长度。第一个消息被指定为 1，第二个消息被指定为 2，以此类推，第 N 个消息被指定为 N在POP3命令和响应中，所以的消息号和长度以十进制表示

AUTHORIZATION

邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图8

  • USER ：客户确认身份（参数：username）
  • PASS ：身份确认完成
  • QUIT ：终止 POP3 会话
  • APOP ：用于替代 USER 和 PASS 命令，它以 MD5 数字摘要的形式向POP3邮件服务器提交帐户密码（参数：用户名/密钥）（该命令实现可选）

安全性：每个 POP3 会话都以 USER/PASS 互换开始，导致了用户名和口令在网络上的显式传送，当服务连接频率变大、时间间隔小，就会加大了泄密的可能（使用APOP：随着密钥长度的增加，解读的难度也会上升）

TRANSACTION

操作状态下的命令：

  • STAT ：查询邮箱中的统计信息（邮件数量和所有邮件大小）
  • LIST ：列出邮箱中的所有邮件信息（消息号/大小）（参数：MSG 列出对应消息号的邮件信息）
  • RETR ：获取某封邮件的内容（参数：MSG）
  • DELE ：将某封邮件标记为删除（参数：MSG）（被标记的邮件直到当前会话进入 UPDATE 状态才被删除）
  • NOOP ：检测连接状况
  • RSET ：取消删除标记

    UPDATE

    当客户在 AUTHORIZATION 状态下发送 QUIT 命令后，会话进入 UPDATE 状态如果会话因为 QUIT 命令以外的原因中断，会话并不进入 UPDATE 状态，也不从服务器中删除任何信件
    （更多实现细节，详见RFC 1939）

IMAP

IMAP 协议通过 port：143 来提供电子邮件的收发服务，和 POP3 被用来提供电子邮件客户端服务（从服务器检索电子邮件）相对于 POP3，IMAP 支持多个电子邮件客户端同时管理邮箱，并可以通过邮件的标签/状态，监测到其他用户对于邮件的操作IMAP 还支持在线/离线两种操作模式，客户端可以获得邮件副本存储在本地

标志消息属性

与邮件关联的有一个或多个 token list，将 flag 添加至列表可以设置邮件的属性，每个 flag 可以设置为永久的或临时的（当前会话）
\Seen 邮件已阅读
\Answered 邮件已回复
\Flagged 邮件被标记为紧急/特别关注
\Delete 邮件被标记删除（to EXPUNGE）
\Draft 邮件被标记为草稿
\Recent 邮件最近到达该邮箱（本次会话是首次收到当前邮件通知）

具体的实现与服务器相关

状态和流程图

Client 和 Server 建立好连接后，IMAP 连接处于四种状态之一最初的状态在服务器的 greeting 报文中标识，客户端在不当状态中尝试的命令服务器都将以 BAD/NO 响应（取决于实现）邮件服务协议，邮件过程的认知、理解 - 图9

  • Not Authenticated State ：未经认证的状态，连接启动时进入该状态，除非已进行预验证
  • Authenticated State：认证状态，可选择邮箱进行访问
  • Selected State：选定状态，已选择一个邮箱访问
  • Logout State：退出状态，连接正在终止（LOGOUT 命令）

服务器必须发送 BYE 响应来关闭连接，同样的，客户端应该发送 LOGOUT 命令来关闭连接
如果服务器检测到客户端单方面关闭了连接，则可以省略 BYE 响应

IMAP 命令

下面罗列一些常见的 IMAP 命令

客户端命令 —— 任何状态

  • CAPABILITY：查询服务器实现的功能
  • NOOP：检测连接

  • LOGOUT：终止当前连接

    客户端命令 —— 未经认证的状态

  • STARTTLS：与服务器使用 TLS 进行交互

  • AUTHENTICATE：与服务器的认证机制

  • LOGIN：鉴权登陆，输入用户名与密码

    客户端命令 —— 认证状态

  • SELECT：选择邮箱

  • EXAMINE：以只读方式选择邮箱
  • CREATE：创建一个邮箱
  • DELETE：删除一个邮箱
  • RENAME：重命名邮箱
  • SUBSCRIBE：订阅指定邮箱
  • UNSUBSCRIBE：取消订阅邮箱
  • LSUB：返回订阅邮箱列表

  • APPEND：追加一个State，例如可以保存一封新的邮件

    客户端命令 —— 选定状态

  • CHECK：检查当前服务器状态(例如：磁盘，内存等)

  • CLOSE：永久删除所有消息
  • EXPUNGE：永久删除所有消息，与 CLOSE 不同的是，将返回每个消息标识
  • SEARCH：类似 find 命令,功能很强大可以按照不同条件搜索邮件
  • FETCH：检索与消息相关数据，例如：获取正文
  • STORE：改变与消息相关数据，例如：设置邮箱已读、删除状态等
  • COPY：拷贝指定的消息
  • UID：返回 UID 列表用于 FETCH

小结

邮件各个协议的合作，完成邮件的发送与接收，以及对邮件的操作（已读，移入垃圾箱，删除，检索，查看，广告邮件等）