（六）计算机网络之应用层 - 计网

应用层对应用程序的通信提供服务

功能：

• 文件传输、访问、管理
• 电子邮件
• 虚拟终端
• 查询服务和远程作业登录

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一、网络应用模型

客户/服务器（C/S）模型	P2P（对等式）模型
服务器：提供计算服务的设备（面向任务） 永久提供服务 永久性访问地址/域名	不存在永远在线的服务器 每个主机都可提供&请求服务
客户机：请求计算服务的主机（面向用户） 可能使用动态IP地址 客户机之间不能互相通信 间歇性接入网络	任意端系统/节点可直接通信 节点间歇性接入网络

在C/S模型中，服务器性能决定了整个系统的性能。P2P模型中任一计算机可互相通信，具备上传与下载的功能。
优点：

• 减轻服务器的计算压力，消除对某个服务器的完全依赖，将任务分配到各个结点上，大大提高系统效率与资源利用率。
• 多个客户机之间直接共享文档
• 网络健壮性强，单个结点失效不会影响其他部分的结点

缺点：
获取服务的同时还要给其他节点提供服务，会占用较多内存，影响整机速度

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二、域名解析系统DNS

网络层是通过IP地址寻找，但人记不住IP地址，通过域名访问，而DNS服务器实现域名转换成IP地址
DNS系统采用C/S模型，其协议运行在UDP上，使用53号端口

2.1 层次域名空间

因特网采用层次树状结构的命名方法，任何一个连接到因特网的主机/路由器，都有唯一的层次结构名称，即域名。

域名 www.pku.edu.cn.

• 根 ：最后一个 .
• 顶级域名 ： （cn）
  • 国家顶级域名 : cn , us , uk
  • 通用顶级域名 : com , net , org , gov
  • 基础结构域名/反向域名 : arpa
• 二级域名 ： (edu)
  • 类别域名： ac , com , edu
  • 行政区域名 ：用于我国各省、自治区、直辖市
• 三级域名、四级域名…… pku、www

2.2 域名服务器

因特网的域名系统被设计为一个联机分布式的数据库系统，并采用C/S模型。域名 -> IP地址的解析由运行在域名服务器上的程序完成，但一个服务器只管辖一个区，保存区中所有主机域名到IP地址的映射，还有连向其他域名服务器的信息（无法完成转换时，找其他域名服务器）

DNS服务器分类

• 本地域名服务器：当主机发出DNS查询请求时，发送查询请求报文给该主机的本地域名服务器
• 根域名服务器：所有根域名服务器都知道所有顶级域名服务器的IP地址
• 顶级域名服务器：管理本服务器下注册的所有二级域名
• 权限域名服务器：负责一个区的域名服务器

2.3 域名解析过程

域名解析指将域名映射成IP地址（正向解析）或把IP地址映射成域名（反向解析）的过程
当客户机需要解析域名时，通过本机的DNS客户端构造DNS请求报文，以UDP数据报的方式发给本地域名服务器

1. 递归查询 （由于给根域名服务器造成的负载过大，实际中几乎不适用）
   本地域名服务器以DNS客户的身份，向根域名服务器继续发出查询请求报文，替该主机继续查询，依次递归到后面的服务器，得到IP地址后逐级返回。

2. 递归与迭代结合的查询
   主机向本地域名服务器的查询使用递归
   本地域名服务器向根域名服务器的查询使用迭代 ：

• 1.客户机向本地服务器发出DNS请求报文
• 2.本地域名服务器收到请求后，查询本地缓存，若无记录，则向根域名服务器发出解析请求
• 3.根域名服务器的处理与2类似，只是找到了对应的顶级域名服务器IP后不自己找，而是返回给本地域名服务器让其继续依次找
  ……
• 8.本地域名服务器将结果保存到本地缓存，同时返回给客户机

高速缓存：在DNS服务器的高速缓存中保存最近接收的DNS查询结果，当另一相同的域名查询到达时，可直接提供该IP地址
好处：提高DNS的查询效率，减少因特网上的DNS查询报文数量

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三、文件传输协议（FTP）

• 文件传送协议 FTP

• • FTP是因特网上使用最广泛的文件传输协议，提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式，允许文件有存取权限
  • 采用C/S的工作方式（用户通过客户机程序连接至远程计算机上运行的服务器程序），使用TCP实现可靠传输

  一个FTP服务器进程可同时为多个客户进程提供服务，有两部分组成：主进程（负责接收新的请求），从属进程（处理单个请求）

  从属进程的工作步骤
  1. 打开21号控制端口，使客户进程能连接上
  2. 等待客户进程发连接请求
  3. 启动从属进程处理客户进程发出的请求（与主进程并发执行，处理完请求后就终止）
  4. 回到等待状态，继续接收其他客户进程的请求
• 简单文件传送协议 TFTP

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  四、电子邮件

  电子邮件的信息格式

  • 信封
  • 内容
    • 首部 From:邮件地址，To:邮件地址，Subject:……
    • 主体

  电子邮件地址的规定格式：收件人邮箱名@邮箱所在主机域名：保证该邮箱地址在整个因特网上唯一

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  4.1 电子邮件系统

  三个组成构件
  1. 用户代理（UA）：用户与电子邮件系统的接口，通常是一个运行在PC上的程序
  2. 邮件服务器：组成电子邮件系统的核心，功能是接收与发送邮件，向发信人报告传送情况。采用客户机/服务器方式工作，但它能同时充任客户机与服务器
  3. 邮件发送协议与读取协议：发送时SMTP客户端主动将邮件推到SMTP服务器端；POP3通信方式：用户读取邮件时，用户代理向邮件服务器发出请求，拉取邮件

  

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  4.1 SMTP（简单邮件传送协议）与POP3

• 简单邮件传送协议SMTP

• SMTP建立在TCP连接、端口号25、C/S基础上，规定两个相互通信的SMTP进程之间如何交换信息（SMTP客户机与SMTP服务器之间）

  SMTP通信阶段

  1. 连接建立
     • 发送方邮件送到服务器的邮件缓存中，SMTP客户端每隔一段时间扫描缓存。
     • 若发现邮件，则使用25号端口与接收方的SMTP服务器建立TCP连接
     • TCP建立后，接收方SMTP发出"220 service ready"，然后SMTP客户机发送"HELLO"命令，并附上发送方主机名
  2. 邮件传送
     • MAIL命令+收件人地址：若服务器准备好接收，则回答250 OK
     • RCPT命令+ 发送收件人地址：每发送一个RCPT命令，服务器返回相应信息（250 OK / 550 No such user）
       RCPT作用：弄清接收方系统是否做好接收邮件的准备，以便不至于发送很长邮件后发现地址错误而浪费通信资源
     • DATA命令开始传输内容
  3. 连接释放：客户发送QUIT命令，服务器返回221（服务器关闭，表明同意释放TCP连接）
     

  • SMTP的缺点：不能传送可执行文件或其他二进制对象，仅限7位ASCII码，不能传送非英语文字，拒绝过长的邮件

  • 通用因特网邮件扩充 MIME：使电子邮件系统可支持声音、图像、视频、多种语言，使传输内容丰富多彩

• 邮局协议POP3

• POP采用C/S工作方式，在传输层使用TCP连接、端口号110

  POP的两种工作方式

  • 下载并保存：用户从邮件服务器读取后，依然保存在邮件服务器，可再次读取
  • 下载并删除：一旦被用户读取就从邮件服务器删除，不能再次读取
• 网际报文存取协议IMAP
• 基于万维网的电子邮件 HTTP+SMTP+HTTP

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  五、万维网和HTTP协议

  5.1 WWW的概念

  万维网（World Wide Web）是一个资料空间，无数网络站点和网页的集合
  内核构成：

  • 1.统一资源定位符URL （唯一标识 资源）
    一般形式：<协议>://<主机> : <端口>/<路径>

  • 2.超文本传输协议HTTP 用户通过点击超链接获取资源，这些资源通过传送给使用者

  • 3.超文本标记语言HTML显示页面

  万维网以C/S方式工作，客户程序是用户计算机的浏览器，服务器程序在万维网文档驻留的计算机上运行。
  通信流程：

  • 1.Web用户使用浏览器指定URL与Web服务器建立连接，并发送浏览器请求
  • 2.Web服务器将URL转换成文件路径，并返回信息给Web浏览器
  • 3.通信完成，关闭连接

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  5.2 超文本传输协议HTTP

  定义浏览器如何请求万维网文档，以及服务器如何将文档传输给浏览器

  过程：

  • 1.浏览器分析URL
  • 2.浏览器向DNS请求解析IP地址
  • 3.DNS解析出IP地址
  • 4.浏览器与该服务器建立TCP连接（默认端口号为80）
  • 5.浏览器发出HTTP请求
  • 6.服务器通过HTTP响应把文件发给浏览器
  • 7.TCP连接释放
  • 8.浏览器解释HTML文件，并显示给用户

  HTTP协议是无状态的，但是实际工作中，网站希望能通过Cookie识别用户，提供个性化服务

  cookie是存储在用户主机中的文本文件，记录一段时间内某用户的访问记录

  HTTP协议采用TCP作为运输层协议，但HTTP本身是无连接的（通信双方在交换HTTP报文之间不需要先建立HTTP连接）

  • 非持久连接
  • 持久连接

  HTTP的报文结构
  请求报文 ： 方法 URL 版本