目录
一、应用层概述
二、客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)
(一)客户/服务器 (Client/Server,C/S) 方式
(二)对等(Peer-to-Peer,P2P) 方式
(三)总结
三、动态主机配置协议DHCP
(一)DHCP的工作流程
(二)DHCP中继代理
四、域名系统DNS
五、文件传送协议FTP
六、电子邮件
(一)简单邮件传送协议SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)的基本工作原理
(二)MIME的出现
(三)常用的邮件读取协议
(四)基于万维网的电子邮件
计算机网络系列
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经过前面几篇文章的学习,我们终于来到了网络最高层——应用层,应用层的作用使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。
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。
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:
C/S方式是因特网上传统的、同时也是最成熟的方式,很多我们熟悉的网络应用采用的都是C/S方式。包括万维网WWW、电子邮件、文件传输FTP等。
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器计算机上。
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者,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。
对于下图两台主机,可以通过手工配置ip地址,子网掩码,默认网关,DNS服务器使其能与web服务器通信,但当主机数量大时,手工配置的工作量大,且容易出错!
可以通过配置DHCP服务器让主机自动获取网络配置信息
DHCP是基于传输层中的UDP协议,即传输的是UDP用户数据报
主机上运行着DHCP客户进程,监听的端口号为68,简称DHCP客户。DHCP服务器上运行着服务端进程,监听的端口号为67,这两个都是熟知端口号。
(1)DHCP客户向所在网络发送DHCP发现报文(DHCP DISCOVERY),源IP为0.0.0.0,因为此时还没有配置ip,目的ip地址为广播地址255.255.255.255。报文携带了事务ID,DHCP客户端的MAC地址
(2)网络中的DHCP服务器接收到该DHCP发现报文后,根据其中封装的DHCP客户端的MAC地址来查找自己的数据库,看是否有针对该MAC地址的配置信息,如果有,则使用这些配置信息来构建并发送DHCP提供报文;如果没有则采用默认配置信息并发送DHCP提供报文,封装该报文的IP数据报的源IP地址为DHCP服务器的IP地址,目的地址仍为广播地址,因为此时主机仍未配置ip地址。DHCP提供报文内部封装了事务ID,还有配置信息,如:IP地址,子网掩码,地址租期,默认网关,DNS服务器等。DHCP服务器从自己的IP地址池中挑选待租用给主机的IP地址时,会使用ARP来确保所选IP地址未被网络中其他主机占用
网络中的所有设备都会收到该IP数据报,并对其层层解封,解封出封装有DHCP提供报文的UDP用户数据报。对于DHCP服务器,其应用层没有监听该UDP用户数据报目的端口68的进程,也就是DHCP客户进程,因此,无法交付DHCP提供报文,只能丢弃。而对于DHCP客户,其应用层运行着DHCP客户进程,因此会接收该提供报文并作出相应处理。DHCP客户会根据DHCP提供报文中的事务ID来判断是否是自己所请求的报文。如果ID与自己之前发送DHCP发现报文中封装的事务ID相同,就表明这是自己所请求的报文
(3)DHCP客户此时会收到两个DHCP提供报文,一般会选择先到的那个,然后向所选择的DHCP服务器发送DHCP请求报文,封装该报文的IP数据报的源IP地址仍为0.0.0.0,因为此时才从多个DHCP服务器中挑选一个作为自己的DHCP服务器,首先需要征得该服务器的同意,之后才能正式使用向该DHCP服务器租用的IP地址,目的IP地址仍为广播地址255.255.255.255。DHCP请求报文中封装有事务ID,DHCP客户端的MAC地址,接收的租约中的IP地址,提供此租约的DHCP服务器端的IP地址等信息
(4)在本例中,假设选择DHCP服务器1作为主机的DHCP服务器,于是DHCP服务器1给DHCP客户发送DHCP确认报文,封装该报文的IP数据报的源IP地址为DHCP服务器1的IP地址,目的IP地址仍为广播地址,DHCP收到该确认报文后,就可以使用所租用的IP地址了,需要注意的是,在使用租用的IP地址之前,主机还会使用ARP检测该IP地址是否已被网络中其他主机占用。若被占用: 给DHCP服务器发送“DHCPDECLINE”报文撤销IP地址租约,并重新发送“DHCP DISCOVER”报文:
若未被占用: 可以使用租约中的IP地址与网络中其他主机通信了
(5)当租用期过了一半时,DHCP客户会向DHCP服务器发送DHCP请求报文,来请求更新租用期,源IP地址为租用的地址,目的地址为DHCP服务器1的IP地址。DHCP服务器有三种情况:
情况一:同意,发送回确认报文,DHCP客户得到新的租用期;
情况二: 不同意,DHCP服务器发回DHCP否认报文。DHCP客户必须立即停止使用之前租用的IP地址。并重新发送DHCP发现报文来重新申请IP地址;
情况三:DHCP服务器未响应,则在IP地址租期过了87.5%时,DHCP客户必须重新发送DHCP请求报文,然后继续等待DHCP服务器可能做出的反应,若DHCP服务器仍未做出响应,则当租用期到期后,DHCP客户必须立即停止使用之前租用的IP地址。并重新发送DHCP发现报文来重新申请IP地址
(6)DHCP客户可以随时提前终止DHCP服务器所提供的租用期,只需向DHCP服务器发送DHCP释放报文段即可。
(7)总结
下图中的两台主机不能通过DHCP获取到IP地址,因为路由器对于广播不会进行转发
给该路由器配置DHCP服务器的IP地址并使之成为DHCP中继代理!
DNS报文使用运输层的UDP协议进行封装,运输层端口号为53
DNS服务器的作用,主机访问某个域名时,通过查询DNS中域名与ip对应的表,可以得到域名的ip,然后进行访问
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。
早在1983年,因特网就开始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是分布式系统,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。
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,分别代表不同级别的域名
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。
各级域名由其上一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
【举例】因特网的域名空间
域名和IP地址的映射关系必须保存在域名服务器中,供所有其他应用查询。显然不能将所有信息都储存在一台域名服务器中DNS使用分布在各地的域名服务器来实现域名到IP地址的转换。
域名服务器可以划分为以下四种不同的类型:
① 根域名服务器
根域名服务器是最高层次的域名服务器,每个根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名及其IP地址,因特网上共有13个不同IP地的根域名服务器。尽管我们将这13个根域名服务器中的每一个都视为单个的服务器,但“每台服务器”实际上是由许多分布在世界各地的计算机构成的服务器群集。当本地域名服务器向根域名服务器发出查询请求时,路由器就把查询请求报文转发到离这个DNS客户最近的一个根域名服务器。这就加快了DNS的查询过程,同时也更合理地利用了因特网的资源。根域名服务器通常并不直接对域名进行解析,而是返回该域名所屈顶级域名的顶级域名服务器的IP地址
② 顶级域名服务器
这些域名服务器负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。当收到DNS查询请求时就给出相应的回答 (可能是最后的结果,也可能是下一级权限域名服务器的IP地址)
③ 权限域名服务器
这些域名服务器负责管理某个区的域名。每一个主机的域名都必须在某个权限域名服务器处注册登记。因此权限域名服务器知道其管辖的域名与IP地址的映射关系。另外,权限域名服务器还知道其下级域名服务器的地址.
④ 本地域名服务器
本地域名服务器不属于上述的域名服务器的等级结构,当一个主机发出DNS请求报文时,这个报文就首先被送往该主机的本地域名服务器。本地域名服务器起着代理的作用,会将该报文转发到上述的域名服务器的等级结构中。每一个因特网服务提供者ISP,一个大学,甚至一个大学里的学院,都可以拥有一个本地域名服务器,它有时也称为默认域名服务器。本地域名服务器离用户较近,一般不超过几个路由器的距离,也有可能就在同一个局域网中。本地域名服务器的IP地址需要直接配置在需要域名解析的主机中。
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
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。
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。
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。
FTP的常见用途是在计算机之间传输文件,尤其是用于批量传输文件。
FTP的另一个常见用途是让网站设计者将构成网站内容的大量文件批量上传到他们的Web服务器
FTP的工作原理
(一)主动模式
FTP服务端主动向客户端发起连接,通过TCP 21端口进行控制连接;通过TCP 20端口进行数据连接
控制连接在整个会话期间一直保持打开,用于传送FTP相关控制
命令数据连接用于文件传输,在每次文件传输时才建立,传输结束就关闭.
(二)被动模式
FTP服务器被动等待FTP客户的连接
电子邮件(E-mail)是因特网上最早流行的一种应用,并且仍然是当今因特网上最重要、最实用的应用之一传统的电话通信属于实时通信,存在以下两个缺点:
而电子邮件与邮政系统的寄信相似。
电子邮件使用方便、传递迅速而且费用低廉。它不仅可以传送文字信息,而且还可附上声音和图像.
由于电子邮件的广泛使用,现在许多国家已经正式取消了电报业务。在我国,电信局的电报业务也因电子邮件的普及而濒临消失
电子邮件系统采用客户/服务器方式
电子邮件系统的三个主要组成构件: 用户代理,邮件服务器,以及电子邮件所需的协议
电子邮件的信息格式并不是由SMTP定义的,而是在RFC 822中单独定义的。这个RFC文档已在2008年更新为RFC 5322。一个电子邮件有信封和内容两部分。而内容又由首部和主体两部分构成。
SMTP协议只能传送ASCII码文本数据,不能传送可执行文件或其他的二进制对象SMTP不能满足传送多媒体邮件(例如带有图片、音频或视频数据)的需要。并且许多其他非英语国家的文字(例如中文、俄文、甚至带有重音符号的法文或德文)也无法用SMTP传送
为解决SMTP传送非ASCII码文本的问题,提出了多用途因特网邮件扩展MIME (Mutipurpose ntemet Mail Extensions)
实际上,MIME不仅仅用于SMTP,也用于后来的同样面向ASCII字符的HTTP
常用的邮件读取协议有以下两个:
邮局协议POP (Post Office Protocol),POP3是其第三个版本,是因特网正式标准。非常简单、功能有限的邮件读取协议。用户只能以下载并删除方式或下载并保留方式从邮件服务器下载邮件到用户方计算机。不允许用户在邮件服务器上管理自己的邮件。(例如创建文件夹,对邮件进行分类管理等)
因特网邮件访问协议IMAP (Internet Message Access Protocol),IMAP4是其第四个版本,目前还只是因特网建议标准。
功能比POP3强大的邮件读取协议。用户在自己的计算机上就可以操控邮件服务器中的邮箱,就像在本地操控一样,因此IMAP是一个联机协议
POP3和IMAP4都采用基于TCP连接的客户/服务器方式。POP3使用熟知端口110,IMAP4使用熟
知端口143。
通过浏览器登录(提供用户名和口令)邮件服务器万维网网站就可以撰写、收发、阅读和管理电子邮件。这种工作模式与IMAP很类似,不同的是用户计算机无需安装专门的用户代理程序,只需要使用通用的万维网浏览器
邮件服务器网站通常都提供非常强大和方便的邮件管理功能,用户可以在邮件服务器网站上管理和处理自己的邮件,而不需要将邮件下载到本地进行管理。