计算机网络——应用层网络应用模型、DNS系统、文件传输协议、电子邮件、万维网和HTTP协议

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前言

本文的主要内容是计算机网络中应用层的一些基础知识，包括网络应用模型、DNS系统中的域名和域名服务器、文件传输协议、电子邮件中的SMTP和POP3、万维网和HTTP协议。

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一、网络应用模型

1、应用层概述

应用层是对应用程序的通信提供服务的。
应用层的协议定义：①应用进程交换的报文类型，请求或者响应；②各种报文类型的语法，如报文中的各个字段及其详细描述；③字段的语义，即包含在字段中的信息的含义；④进程何时、如何发送报文以及对报文进行响应的规则。
应用层的功能：文件传输、访问和管理；电子邮件；虛拟终端；查询服务和远程作业登录。
应用层的重要协议：FTP、SMTP、POP3、HTTP、DNS。

2、客户服务器模型

客户服务器模型的示意图如下图所示。

服务器是提供计算服务的设备。它的特点是：①永久的提供服务；②有永久性访问地址或域名。
客户机是请求计算服务的主机。它的特点是：①与服务器通信，使用服务器提供的服务；②间歇性接入网络；③可能使用动态IP地址；④不与其他客户机直接通信。
客户服务器模型的应用：Web，文件传输，远程登录，电子邮件等。

3、P2P 模型

P2P(peer to peer)模型也称为对等模型，其示意图如下图所示。

P2P 模型中不存在永远在线的服务器，每个主机既可以提供服务，也可以请求服务，任意端系统或节点之间可以直接通讯，节点是间歇性接入网络的，节点也可能改变IP地址(动态IP)。
P2P 模型的可扩展性好，在该模型中加入更多的主机也是可以的，因为每个主机不仅可以请求服务，还可以提供服务。此外，该模型的网络健壮性强，任何一个主机的宕机不会对其他主机产生太大的影响。

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二、DNS 系统

DNS 系统也称域名解析系统，它可以将域名解析为 IP 地址。

1、域名

像 www.baidu.com 就是一个域名，从右至左依次为顶级域名、二级域名、三级域名甚至四级域名，根是顶级域名后面的一个点。
顶级域名有国家顶级域名 cn，us，uk 等；有通用顶级域名 com，net，org，gov，int，aero，museum，travel 等；有基础结构域名/反向域名 arpa。
二级域名有类别域名 ac，com，edu，gov，mi，net，org 等；有行政区域名，主要用于我国各省、自治区、直辖市，如bj，sh 等；自己申请的域名也是二级域名。
常见的三/四级域名为 www，mail，ftp 等。
域名树结构如下图所示。

2、域名服务器

域名服务器有根域名服务器、顶级域名服务器和权限域名服务器，此外还有本地域名服务器。
根域名服务器知道所有的顶级域名服务器的 IP 地址。
顶级域名服务器是用来管理该顶级域名服务器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。
当一个主机发出 DNS 查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器，本地域名服务器会向根域名服务器请求帮助，根域名服务器向顶级域名服务器请求帮助，顶级域名服务器向权限域名服务器请求帮助，这样一步步向下就会找到主机要求访问的 IP 地址，然后将 IP 地址原路返回最终到本地域名服务器。这是一种递归查询的方式，简单示意图如下图所示。

迭代查询是当一个主机发出 DNS 查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器，本地域名服务器会向根域名服务器请求帮助，但是根域名服务器不会向下请求顶级域名服务器，而是通知本地域名服务器该去找那哪一个顶级域名服务器，同样地，顶级域名服务器会通知本地域名服务器该去找那哪一个权限域名服务器，就这样，本地域名服务器自己一步步向下找到权限域名服务器这里就会得到要求访问的 IP 地址。递归和迭代相结合方式的简单示意图如下图所示。

本地域名服务器内设有高速缓存，它会存取一些最近访问过的 IP 地址，如果在将这些 IP 地址从高速缓存清除之前再次访问该 IP 地址，则不用再按照上面的递归查询或是迭代查询慢慢查找，而是直接通过本地域名服务器找到该 IP 地址然后进行访问。引入高速缓存之后可以提高访问网站的效率。

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三、文件传输协议

文件传输协议中包括文件传送协议（FTP，File Transfer Protocol）和简单文件传送协议（TFTP，Trivial File Transfer Protocol）。
FTP 提供不同种类主机系统（硬件、软件体系等）之间的文件传输能力，主要就是拷贝，即上传和下载。
FTP 是基于客户/服务器的协议，用户通过一个客户机程序连接至在远程计算机上运行的服务器程序。依照FTP协议提供服务，进行文件传送的计算机就是FTP服务器。连接FTP服务器，遵循FTP协议与服务器传送文件的电脑就是FTP客户端。
互连网中有很大一部分FTP服务器被称为匿名（Anonymous）FTP服务器，这类服务器的目的是向公众提供文件拷贝服务，不要求用户事先在该服务器进行登记注册，也不用取得FTP服务器的授权。匿名文件传输能够使用户与远程主机建立连接并以匿名身份从远程主机上拷贝文件，而不必是该远程主机的注册用户。用户使用特殊的用户名anonymous登陆FTP服务，就可访问远程主机上公开的文件。
FTP 采用 TCP 实现可靠传输。
FTP 服务器有一个主进程和很多个从属进程。
FTP 工作原理的简单示意图如下图所示。

控制连接始终保持，而数据连接保持一会。
TCP 数据连接端口的选择与传输模式有关，如果是主动方式就使用 TCP 20 端口，若是被动方式就由服务器和客户端自行协商决定一个端口号大于 1024 的端口。
FTP 传输模式有文本模式和二进制模式。其中文本模式是ASCII模式，它以文本序列传输数据；二进制模式是Binary模式，它以二进制序列传输数据。

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四、电子邮件

1、简单结构

电子邮件的发送与接收的简单结构如下图所示。

用户代理的功能：撰写、显示、处理、通信。
邮件服务器的功能：发送和接收邮件；向发件人报告邮件的传送结果。
发送与接收邮件的简单示意图如下图所示。

2、简单邮件传送协议(SMTP)

简单邮件传送协议 (SMTP，Simple Mail Transport Protocol) 规定了在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。负责发送邮件的SMTP进程就是SMTP客户，负责接收邮件的进程就是SMTP服务器。SMTP 使用的是 TCP 连接，端口号是25，使用的是客户服务器模式。
SMTP规定了14条命令（命令由几个字母组成）和21种应答信息（应答信息由三位数字代码和简单文字说明组成）。
SMTP通信的三个过程：连接建立、邮件传送、连接释放。
SMTP的缺点：①SMTP不能传送可执行文件或者其他二进制对象；②SMTP仅限于传送7位 ASCII 码，不能传送其他非英语国家的文字；③SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件。
针对SMTP仅限于传送7位 ASCII 码这个缺点，就有了通用因特网邮件扩充MIME，它使电子邮件系统可以支持声音、图像、视频以及多种国家语言等，让传输的内容更加丰富。MIME的功能见下图。

3、邮局协议(POP3)和网际报文存取协议(IMAP)

邮局协议 (POP3，Post Office Protocol) 仍然采用 TCP 连接，端口号是110，使用的是客户服务器模式。它的工作是从接收端邮件服务器上下载并保留邮件在服务器上，或者下载并删除邮件。
网际报文存取协议(IMAP，Internet Message Access Protocol) 比POP协议复杂，当用户电脑上的IMAP客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户可以看到邮箱的首部，若用户需要打开某个邮件，该邮件才上传到用户的计算机上。IMAP可以让用户在不同的地方使用不同的计算机随时上网阅读处理邮件，还允许只读取邮件中的某一个部分，比如先看正文，在有WiFi的时候再下载附件。
基于万维网的电子邮件与之前使用的协议不太一样，在两端均使用HTTP协议，中间使用SMTP协议，示意图如下。

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五、万维网和 HTTP 协议

1、万维网概述

万维网 (WWW，World Wide Web) 是一个大规模的、联机式的信息储藏所或资料空间，它是无数个网络站点和网页的集合。
统一资源定位符 (URL，Universal Resource Locator) 唯一标识一个资源。
URL的一般形式为：<协议>://<主机>:<端口>/<路径> ，它不区分大小写，例如 http://www.pku.edu.cn 就是北京大学的官网链接。
协议有超文本传输协议 (HTTP，Hyper Text Transmission Protocol) 和文本传输协议(FTP，Text Transmission Protocol)。主机就是域名或者IP地址。
用户通过点击超链接获取资源，这些资源通过超文本传输协议传送给使用者。
万维网以客户服务器方式工作，用户使用的浏览器就是万维网客户程序，万维网文档所驻留的主机运行服务器程序。万维网使用超文本标记语言 (HTML，HyperText Markup Language) 使得万维网页面设计者可以很方便地从一个界面的链接转到另一个界面，并能够在自己的屏幕上显示出来。

2、超文本传输协议 (HTTP)

HTTP 定义了浏览器（万维网客户进程）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器怎样把文档传送给浏览器。
用户浏览界面的简单图示如下。

具体的过程是：①浏览器分析URL；②浏览器向DNS请求解析IP地址；③DNS解析出IP地址；④浏览器与服务器建立TCP连接；⑤浏览器发出取文件命令；⑥服务器响应；⑦释放TCP连接；⑧浏览器显示。
HTTP的特点：HTTP是无状态，也就是无记忆的。但在实际工作中，一些万维网站点常常希望能够识别用户，以提供给用户某方面的需求。
Cookie 是存储在用户主机中的文本文件，它会记录一段时间内某用户的访问记录，用户使用识别码识别。
HTTP采用TCP作为运输层协议，但HTTP协议本身是无连接的，也就是通信双方在交换HTTP报文之前不需要先建立HTTP连接。
HTTP的连接方式分为持久连接和非持久连接，持久连接又分为流水线和非流水线。
非持久连接的示意图如下图所示。

非持久连接从发起TCP连接到最终收到整个文档需要2倍的RTT加上传输文档的时间，而且如果要再发一个HTTP请求报文，还需要发起TCP连接，因此耗时比较长。
持久连接的非流水线示意图如下图所示。

持久连接会维持住连接，在下一次想要发起请求时就不用再发起TCP连接进行三次握手了。
持久连接的流水线模式就是在有多个请求时可以一起发起，而不用等到上一个请求周期完成后再请求下一个。
HTTP报文是面向文本的，它在报文中的每一个字段都是一些ASCII码串。HTTP报文分为请求报文和响应报文，其报文结构如下图所示。

响应报文中的状态码：以1开头的表示通知信息的，如请求收到了或正在处理；以2开头的表示成功，如接受或知道了；以3开头的表示重定向，如要完成请求还必须采取进一步的行动；以4开头的表示客户的差错，如请求中有错误的语法或不能完成；以5开头的表示服务器的差错，如服务器失效无法完成请求。

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总结

以上就是计算机网络——应用层网络应用模型、DNS系统、文件传输协议、电子邮件、万维网和HTTP协议的所有内容了，其中DNS系统、电子邮件中的相关协议、万维网和HTTP协议是本文中的重点知识。
参考视频：
网络应用模型
DNS 系统
文件传输协议 FTP
电子邮件
万维网和 HTTP 协议