计算机网络-应用层详解

目录

应用层概述

客户-服务器和对等关系

客户/服务器方式

对等方式

动态主机配置协议DHCP

DHCP的作用

 DHCP的工作过程

 DHCP中继代理

域名系统DNS

域名系统DNS的作用

域名结构

 域名服务器

域名解析的过程

​编辑

 文件传送协议FTP

文件传送协议应用

 FTP的基本工作原理

电子邮件

 电子邮件系统

 发送和接收过程

 SMTP工作原理

 邮件格式

 MIME

 邮件读取协议

 基于万维网的电子邮件

 万维网WWW

浏览器

 ​编辑

应用

 定位符

 万维网文档

超文本传输协议HTTP

 HTTP报文格式

Cookie

​编辑 

 万维网缓存和代理服务器

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应用层概述

应用层是解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题。

应用层是计算机网络体系结构的最顶层，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

• 早期基于文本的应用（电子邮件、远程登录、文件传输、新闻组）
• 20世纪90年代将因特网带入千家万户的万维网WWW
• 当今流行的即时通信、P2P文件共享及各种音视频应用
• 计算设备的小型化和“无处不在‘，宽带住宅接入和无线接入的日益普及和迅速发展，为未来更多的新型应用提供了广阔的舞台。

在本章中，我们以一些经典的网络应用为例来学习有关网络应用的原理、协议和实现方面的知识。

客户-服务器和对等关系

网络应用程序运行在处于网络边缘的不同的端系统上，通过彼此间的通信来共同完成某项任务。

开发一种新的网络应用首先要考虑的问题就是网络应用程序在各种端系统上的组织方式和它们之间的关系。目前流行的主要有以下两种：

• 客户/服务器（Client/Server，C/S）方式
• 对等（Peer-to-Peer，P2P）方式

客户/服务器方式

客户/服务器方式

• 客户和服务器是指通信中所涉及的两个应用进程。
• 客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
• 服务器总是处于运行状态，并等待客户的服务请求。服务器具有固定端口号（例如HTTP服务器的默认端口为80），而运行服务器的主机也具有固定的IP地址。

C/S方式是因特网上传统的、同时也是更成熟的方式，很多我们熟悉的网络应用采用的都是C/S方式。

基于C/S方式的应用服务通常是服务集中型的，即应用服务集中在网络中比客户计算机少得多的服务计算机上。

• 由于一台服务器计算机要为多个客户机提供服务，在C/S应用种，常会出现服务器计算机跟不上众多客户机请求的情况。
• 为此，在C/S应用中，常用计算机群集（或服务器场）构建一个强大的虚拟服务器。

对等方式

在P2P方式中，没有固定的服务请求者和服务提供者，分布在网络边缘各端系统中的应用进程是对等的，被称为对等方。对等方相互之间直接通信，每个对等方既是服务的请求者，又是服务的提供者。

目前，在因特网上流行的P2P应用主要包括P2P文件共享、即时通信、P2P流媒体、分布式存储等。

基于P2P的应用是服务分散型的，因为服务不是集中在少数几个服务器计算机中，而是分散在大量对等计算机中，这些计算机并不是为服务提供商所有，而是为个人控制的桌面计算机和笔记本电脑，它们通常位于住宅、校园和办公室中。

P2P方式的最突出特性之一就是它的可扩展性。因为系统每增加一个对等方，不仅增加的是服务的请求着，同时也增加了服务的提供者，系统性能不会因规模的增大而降低。

P2P方式具有成本上的优势，因为它通常不需要庞大的服务器设施和服务器带宽。为了降低成本，服务提供商对于将P2P方式用于应用的兴趣越来越大。

动态主机配置协议DHCP

动态主机配置协议DHCP提供了一种机制，称为即插即用连网。则会中机制允许一台计算机加入新网络时可自动获取IP地址等网络配置信息而不用手工参与。

DHCP的作用

 DHCP的工作过程

DHCP主要使用DHCP来实现其功能：

• DHCP DISVCOVER：DHCP发现报文
• DHCP OFFER：DHCP提供报文
• DHCP REQUEST：DHCP请求报文
• DHCP ACK：DHCP确认报文
• DHCP NACK：DHCP否认报文
• DHCP RELEASE：DHCP释放报文

DHCP报文在运输层使用UDP协议封装

• DHCP客户使用的UDP端口号为68
• DHCP服务器使用的UDP端口为67

DHCP在未获取到IP地址时使用地址0.0.0.0

 DHCP中继代理

在每一个网路都设置一个DHCP服务器会使DHCP服务器的数量太多。因此现在是使每一个网络至少有一个DHCP中继代理（通常是一台路由器），它配置了DHCP服务器的IP地址信息，作为各网络中计算机与DHCP服务器的桥梁。

域名系统DNS

域名系统DNS（Domain Name System）是互联网使用的命名系统，用来把便于人们使用的机器 名字转化为IP地址。

DNS报文使用运输层的UDP协议进行封装。运输层端口号为53

域名系统DNS的作用

即使不使用域名也可以通过IP地址来寻址目的主机。但域名与IP地址相比，便于人们记忆。我们一般使用域名来访问目的主机，而不是直接使用IP地址来访问。

当我们在浏览器地址栏中输入某个Web服务器的域名时，用户主机会首先在自己的DNS高速缓存中查找该域名所对应的IP地址。如果没有找到则会向网络中的某台DNS服务器查询。DNS服务器中有域名和IP地址映射关系的数据库。当DNS服务器收到DNS查询报文后，之后将查询结果发送给用户主机。现在用户主机中的浏览器可以通过Web服务器的IP地址对其进行访问了。

 因特网是否可以只使用一台DNS服务器？

这种做法并不可取。因为因特网的规模很大，这样的域名服务器肯定会因为超负荷而无法正常工作，而且一旦域名服务器出现故障，整个因特网就会瘫痪。

在很早的时候，因特网就可以采用层次结构的命名树作为主机的名字（即域名），并使用分布式的域名系统DNS。

DNS使大多数域名都在本地解析，仅少量解析需要在因特网上通信，因此系统效率很高。

由于DNS使分布式系统，即使单个计算机出了故障，也不会妨碍整个系统的正常运行。

域名结构

因特网采用层次树状结构的域名结构

域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用“点”隔开，分别表示不同级别的域名。

•  每一级的域名都有英文字母和数字组成，不超过63个字符，不区分大小写字母。
• 级别最低的域名写在最左边，而级别最高的顶级域名写在最右边。
• 完整的域名不超过255个字符。

域名系统既不规定一个域名需要包含多少个下级域名，也不规定每一级的域名代表什么意思。

各级域名由上级的域名管理机构管理，而最高的顶级域名则由因特网名称与数字地址分配机构ICANN进行管理。

 顶级域名TLD (Top Level Domain)分为以下三类:

• 国家顶级域名nTLD
  采用ISO 3166的规定。如cn表示中国，us表示美国，uk表示英国、等等。
• 通用顶级域名gTLD      最常见的通用顶级域名有七个，即: com (公司企业)、net (网络服务机构)、org (非营利性组织)、int (国际组)、edu (美国教育结构)、gov (美国政府部门)、mil (美国军事部门)
• 反向域arpa
  用于反向域名解析，即IP地址反向解析为域名

在国家顶级域名下注册的二级域名均由该国家自行确定。例如，顶级域名为jp的日本，将其教育和企业机构的二级域名定为ac和co，而不用edu和com。

我国则将二级域名划分为以下两类：

• 类别域名
  共七个: ac (科研机构)、com (工、商、金融等企业) 、edu (教育机构)、gov (政府部门)、net (提供网络服务的机构)、mil (军事机构)和org (非营利性组织)
• 行政区域名 共34个，适用于我国的各省、自治区、直辖市。例如: bj为北京市、sh为上海市、js为江苏省，等等。

 【举例】因特网的域名空间

 域名服务器

域名解析的过程

为了提高DNS的查询效率，并减轻根域名服务器的负荷和减少因特网上的DNS查询报文数量，在域名服务器中广泛地使用了高速缓存。高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录 。

由于域名到IP地址的映射关系并不是永久不变，为保持高速缓存中的内容正确，域名服务器应为每项内容设置计时器并删除超过合理时间的项 (例如，每个项目只存放两天)

不但在本地域名服务器中需要高速缓存，在用户主机中也很需要。许多用户主机在启动时从本地域名服务器下载域名和IP地址的全部数据库，维护存放自己最近使用的域名的高速缓存，并且只在从缓存中找不到域名时才向域名服务器查询。同理，主机也需要保持高速缓存中内容的正确性。

【练习题】 

 

 文件传送协议FTP

将某台计算机中的文件通过网络传送到可能相距很远的另一台计算机中，是一项基本的网络应用，即文件传送。

文件传送协议FTP (File Transfer Protocol) 是因特网上使用得最广泛的文件传送协议。

• FTP提供交互式的访问，许客户指明文件的类型与格式(如指明是否使用ASCII码)，并允许文件具有存取权限 (如访问文件的用户必须经过授权，并输入有效的口令)。
• FTP屏蔽了各计算机系统的细节，因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件。

在因特网发展的早期阶段，用FTP传送文件约占整个因特网的通信量的三分之一，而由电子邮件和域名系统所产生的通信量还要小于FTP所产生的通信量。只是到了1995年，万维网WWW的通信量才首次超过了FTP。

文件传送协议应用

 FTP的基本工作原理

 【练习题】

电子邮件

 电子邮件系统

 发送和接收过程

 SMTP工作原理

 邮件格式

 MIME

 

 邮件读取协议

 基于万维网的电子邮件

                                                                                                                                                            【练习题】

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

 

  

 

 万维网WWW

浏览器

 

应用

当用户主机在访问某网站时，在浏览器中输入域名后回车，就会发送一个请求报文给万维网服务器，服务器会发送一个响应报文给用户主机，浏览器解析并渲染响应报文中的内容，这样我们就可以看到网页内容了。

 

 定位符

 万维网文档

想不到吧，居然是熟悉的前端！！！

超文本传输协议HTTP

 

 HTTP报文格式

 

Cookie

 

 

 万维网缓存和代理服务器

 【练习题】