计算机网络笔记第六章应用层

适用计算机网络（第七版）
自己的学习笔记，PPT及图片来源网络，侵删。
第六章协议较多，且大多数不再408考研范围，后面比较简略。

第六章 应用层

应用层协议大多采用客户—服务器模式
客户 ：服务请求方
服务器 ：服务提供方

6.1 域名系统 DNS

6.1.1 域名系统概述

直接访问服务器的IP地址在通常的情况下是难以记忆且困难的，这时使用带有特殊含义的域名访问服务器往往会更加简单。

域名系统 DNS ：是互联网使用的命名系统，用来把人们使用的机器名字转换为IP地址。

域名服务器 ：运行域名服务器程序的机器
域名服务器程序 ：用来进行域名到IP地址的解析。

6.1.2 互联网的域名结构

域名在网络上时唯一的，采用了层次树状结构的命名方法,最后一个为顶级域名,之后为二级域名,之后依次类推.

顶级域名 :

• 国家缩写(.cn中国)
• 通用(.net、.edu)
• 若.deu、.gov、.mil最为顶级域名则特指美国部分

6.1.3 域名服务器

• 一个服务器所负责管辖的（或有权限的）范围叫做区 。
• 每一个区设置相应的权限域名服务器，用来保存该区中的所有主机的域名到 IP 地址的映射。
• DNS 服务器的管辖范围不是以“域”为单位，而是以“区”为单位。

根域名服务器 ：共有13套装置，以字母划分。
a.rootservers.net、b.rootservers.net…

13 : 大部分网络可以支持512B字节的传输，根域名服务器占32B，13个就已经416B，还有96B需要用来设定参数等。

根域名服务器采用了任播技术，IP数据报的终点不是某一确定地点的主机，而是离交付源点最近的一台主机。

本地域名服务器 ：即默认域名服务器。

• 迭代查询 ：会收集周边发起的请求，之后会代替主机向顶级域名服务器发起请求，时候本地域名服务器会根据根给的地址向下查询，直到找到IP地址返回并且记录查询结果。

• 递归查询 ：向本地域名服务器发起请求，之后本地询问根，根询问顶级，顶级询问权限，直到查询到IP地址再逐级返回。
• 在进行域名解析的时候客户只会与域名服务器进行交流。

6.2 文件传送协议

6.2.1 FTP 概述

文件传送协议 FTP是互联网上使用得最广泛的文件传送协议，它屏蔽了传输细节，提供交互式访问。

FTP 特点 ：

• 文件传送协议 FTP 使用 TCP 提供可靠的运输服务。
• FTP 使用客户服务器方式。一个 FTP 服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。FTP 的服务器进程由两大部分组成：一个主进程，负责接受新的请求；另外有若干个从属进程，负责处理单个请求。

6.2.2 FTP 的基本工作原理

FTP具有两大部分：

• 一个主进程，负责接受连接；
• 若干个从属进程，负责传输数据。

进程的工作：

• 21号端口用于建立连接
• 20号端口用于传输数据
• 在传输过程中21号端口保持打开的过程，一旦关闭，传输终止。

6.2.3 简单文件传送协议 TFTP

TFTP ：是一个很小且易于实现的文件传送协议。

• TFTP 使用客户服务器方式和使用 UDP 数据报，因此 TFTP 需要有自己的差错改正措施。
• TFTP 只支持文件传输而不支持交互。
• TFTP 没有一个庞大的命令集，没有列目录的功能，也不能对用户进行身份鉴别。

TFTP 的主要特点 ：

• 每次传送的数据块中有 512 字节的数据，但最后一次可不足 512 字节。
• 支持 ASCII 码或二进制传送。
• 可对文件进行读或写。
• 使用很简单的首部。

TFTP 的工作很像停止等待协议 ：

• 发送完一个文件块后就等待对方的确认，确认时应指明所确认的块编号。
• 发完数据后在规定时间内收不到确认就要重发数据块。
• 发送确认 PDU 的一方若在规定时间内收不到下一个文件块，也要重发确认 PDU。这样就可保证文件的传送不致因某一个数据报的丢失而告失败。

6.3 远程终端协议 TELNET

TELNET ：可以在一台主机上远程控制一个服务器，使用TELNET控制的服务器必须有IP地址。

• 用户用 TELNET 就可在其所在地通过 TCP 连接注册（即登录）到远地的另一个主机上（使用主机名或 IP 地址）。
• TELNET 能将用户的击键传到远地主机，同时也能将远地主机的输出通过 TCP 连接返回到用户屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像键盘和显示器是直接连在远地主机上。
• 客户与服务器之间进行传输时会转换为NVT格式，用来处理终端不同命令不同的问题。

6.4 万维网 WWW

6.4.1 万维网概述

万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所，用链接的方法能非常方便地从互联网上的一个站点访问另一个站点，从而主动地按需获取丰富的信息。

万维网是分布式超媒体 系统，它是超文本系统的扩充 ：

• 一个超文本由多个信息源链接成。
• 超媒体与超文本的区别是文档内容不同。

万维网以客户 - 服务器方式工作 ：

• 浏览器就是在用户计算机上的万维网客户程序。万维网文档所驻留的计算机则运行服务器程序，因此这个计算机也称为万维网服务器。
• 客户程序向服务器程序发出请求，服务器程序向客户程序送回客户所要的万维网文档。
• 在一个客户程序主窗口上显示出的万维网文档称为页面。

万维网必须解决的问题 ：

• 唯一标志 ：使用统一资源定位符 URL来标志万维网上的各种文档，使每一个文档在整个互联网的范围内具有唯一的标识符 URL。
• 协议实现超链接：在万维网客户程序与万维网服务器程序之间进行交互所使用的协议，是超文本传送协议 HTTP ，它使用TCP提供可靠的传输。
• 清楚显示且表明存在 ：超文本标记语言 HTML。
• 方便查询 ：搜索引擎。

6.4.2 统一资源定位符 URL

URL一般格式 ：

• 协议　：访问时采用哪种协议
  • ftp——文件传输协议
  • http——超文本传输协议（默认）
  • News——USENET新闻
• 主机　：可以时域名也可以时IP地址
• 端口　：大多可以省略，会根据协议自动选则
• 路径　：访问的内容，大多省略

6.4.3 超文本传送协议 HTTP

面向事务的应用层协议

通过HTTP请求建立连接，之后获得需要的内容，最后释放连接。

用户点击URL
http://www.tsinghua.edu.cnychn/yxsz/index.htmi
后所发生的事件

• 浏览器分析超链指向页面的URL
• 浏览器向DNS请求解析www.tsinghua.edu.cn的IP地址。
• 域名系统DNS解析出清华大学服务器的IP地址。
• 浏览器与服务器建立TCP连接。
• 浏览器发出取文件命令: GET chn/ysz/index. htm。
• 服务器给出响应,把文件 index. htm发给浏览器
• TCP连接释放。
• 浏览器示“清华大学院系设置”文件index. htm中的所有文本

HTTP的连接

• HTTP 1.0 协议是无状态的，即页面信息是不会动态更新的，每点一次连接都会重新发送连接请求。
• HTTP/1.1 协议使用持续连接 。万维网服务器在发送响应后仍然在一段时间内保持这条连接，使同一个客户（浏览器）和该服务器可以继续在这条连接上传送后续的 HTTP 请求报文和响应报文。并不局限于传送同一个页面上链接的文档，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。
• HTTP/2.0 采用多路复用，每一此都会取很多的数据，而不是一次只取一点点。

持续连接的两种工作方式 ：

• 非流水线方式：客户在收到前一个响应后才能发出下一个请求。这比非持续连接的两倍 RTT 的开销节省了建立 TCP 连接所需的一个 RTT 时间。但服务器在发送完一个对象后，其 TCP 连接就处于空闲状态，浪费了服务器资源。
• 流水线方式：客户在收到 HTTP 的响应报文之前就能够接着发送新的请求报文。一个接一个的请求报文到达服务器后，服务器就可连续发回响应报文。使用流水线方式时，客户访问所有的对象只需花费一个 RTT时间，使 TCP 连接中的空闲时间减少，提高了下载文档效率。

代理服务器 ：万维网高速缓存，类似于本地域名服务器，会代表浏览器发出HTTP请求。

HTTP的报文分为请求报文与响应报文两种格式，面向文本的，因此报文中的每一个字段都是一些ASCII码串，因而各个字段的长度是不确定的。

HTTP的报文格式 ：

• 开始行,用于区分是请求报文还是响应报文。在请求报文中的开始行叫做请求行,而在响应报文中的开始行叫做状态行。在开始行的三个字段之间都以空格分隔开,最后的“CR”和“LF”分别代表“回车”和“换行
  • 方法，实际上就是命令操作
  • URL，请求资源的URL
  • 状态码，一般是三位数字，显示当前的情况
  • 版本，HTTP的版本
• 首部行,用来说明浏览器、服务器或报文主体的一些信息。首部可以有好几行,但也可以不使用。在每一个首部行中都有首部字段名和它的值,每一行在结束的地方都要有回车”和“换行”。整个首部行结束时,还有一空行将首部行和后面的实体主体分开
• 实体主体,在请求报文中一般都不用这个字段,而在响应报文中也可能没有这个字段

HTTP请求报文的方法 ：

HTTP相应报文的状态码 ：

• lxx表示通知信息,如请求收到了或正在进行处理
• 2xx表示成功,如接受或知道了。
• 3xx表示重定向,如要完成请求还必须采取进一步的行动。
• 4xx表示客户的差错,如请求中有错误的语法或不能完成
• 5xx表示服务器的差错,如服务器失效无法完成请求。

在服务器上存放用户的信息 ：

• 万维网站点可以使用 Cookie 来跟踪用户。
• Cookie 表示在 HTTP 服务器和客户之间传递的状态信息。
• 使用 Cookie 的网站服务器为用户产生一个唯一的识别码。利用此识别码，网站就能够跟踪该用户在该网站的活动。

6.4.4 万维网的文档

超文本标记语言HTML是基于布局的一种语言

可扩展标记语言XML，设计用来传输数据，而不是传输数据，为了实现动态传输数据

层叠样式表CSS，主要用来设置格式化结构内容。

动态与静态 ：

• 静态文档是指该文档创作完毕后就存放在万维网服务器中，在被用户浏览的过程中，内容不会改变。
• 动态文档是指文档的内容是在浏览器访问万维网服务器时才由应用程序动态创建。
• 动态文档和静态文档之间的主要差别体现在服务器一端。这主要是文档内容的生成方法不同。而从浏览器的角度看，这两种文档并没有区别。

6.4.5 万维网的信息检索系统

在万维网中用来进行搜索的程序叫做搜索引擎

全文检索搜索（百度关键字搜索）：

• 全文检索搜索引擎是一种纯技术型的检索工具。它的工作原理是通过搜索软件到互联网上的各网站收集信息，找到一个网站后可以从这个网站再链接到另一个网站。然后按照一定的规则建立一个很大的在线数据库供用户查询。
• 用户在查询时只要输入关键词，就从已经建立的索引数据库上进行查询（并不是实时地在互联网上检索到的信息）。

分类目录搜索(各级网站上的链接）:

• 并不采集网站的任何信息，而是利用各网站向搜索引擎提交的网站信息时填写的关键词和网站描述等信息，经过人工审核编辑后，如果认为符合网站登录的条件，则输入到分类目录的数据库中，供网上用户查询。
• 分类目录搜索也叫做分类网站搜索。

垂直搜索：针对某一特定领域、特定人群或某一特定需求提供搜索服务

6.4.6 博客和微博

个人发布信息资源的一种方式

6.4.7 社交网络

社交网站

6.5 电子邮件

6.5.1 电子邮件概述

电子邮件：指使用电子设备交换的邮件及其方法。
使用方便，传递迅速，费用低廉，可以传送多种类型的信息（包括：文字信息，声音和图像等）

电子邮件的重要标准

• 简单邮件发送协议：SMTP
• 互联网文本报文格式
• 通用互联网邮件扩充 MIME，对SMTP的补充
• 邮件读取协议：POP3 和 IMAP
  
  用户代理 UA ：
• 用户代理 UA 就是用户与电子邮件系统的接口，是电子邮件客户端软件。
• 用户代理的功能：撰写、显示、处理和通信。
• 邮件服务器的功能是发送和接收邮件，同时还要向发信人报告邮件传送的情况（已交付、被拒绝、丢失等）。
• 邮件服务器按照客户 - 服务器方式工作。邮件服务器需要使用发送和读取两个不同的协议。

发送与接收邮件的重要步骤 ：

• 发件人调用 PC 中的用户代理撰写和编辑要发送的邮件。
• 发件人的用户代理把邮件用 SMTP 协议发给发送方邮件服务器。
• SMTP 服务器把邮件临时存放在邮件缓存队列中，等待发送。
• 发送方邮件服务器的 SMTP 客户与接收方邮件服务器的 SMTP 服务器建立 TCP 连接，然后就把邮件缓存队列中的邮件依次发送出去。
• 运行在接收方邮件服务器中的SMTP服务器进 程收到邮件后，把邮件放入收件人的用户邮箱中，等待收件人进行读取。
• 收件人在打算收信时，就运行PC机中的用户代理，使用POP3（或 IMAP）协议读取发送给自己的邮件。

电子邮件的地址格式 ：
收件人邮箱名@邮箱所在主机的域名

6.5.2 简单邮件传送协议 SMTP

SMTP 通信的三个阶段 ：

• 连接建立：连接是在发送主机的 SMTP 客户和接收主机的 SMTP 服务器之间建立的。SMTP不使用中间的邮件服务器。
• 邮件传送
• 连接释放：邮件发送完毕后，SMTP 应释放 TCP 连接。

SMTP只能传输7位ASCII，无法传送除英语国家的文字。

6.5.3 电子邮件的信息格式

一个电子邮件分为信封和内容两大部分。

邮件内容的首部 ：

• To后面填入一个或多个收件人的电子邮件地址。用户只需打开地址簿，点击收件人名字，收件人的电子邮件地址就会自动地填入到合适的位置上。
• Subject是邮件的主题。它反映了邮件的主要内容，便于用户查找邮件。
• Cc表示应给某某人发送一个邮件副本。
• From和 Date 表示发信人的电子邮件地址和发信日期。
• Reply-To 是对方回信所用的地址。
  

6.5.4 邮件读取协议 POP3 和 IMAP

邮件读取协议 POP3 和 IMAP都是从缓存服务器读取文件,两者只是在操作上具有一定的区别。

POP3 和 IMAP的区别

6.5.5 基于万维网的电子邮件

• 不需要在计算机中再安装用户代理软件。
• 计算机能联网，就能非常方便地收发电子邮件。
• 电子邮件界面非常友好。
  

6.5.6 通用互联网邮件扩充 MIME

• 通用互联网邮件扩充 MIME 并没有改动 SMTP 或取代它。
• MIME 的意图是继续使用目前的格式，但增加了邮件主体的结构，并定义了传送非 ASCII 码的编码规则。

6.6 动态主机配置协议 DHCP

动态主机配置协议 DHCP ：

• 互联网广泛使用的动态主机配置协议 DHCP提供了即插即用连网的机制，这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取 IP 地址，而不用手工配置。
• DHCP给运行服务器软件、且位置固定的计算机指派一个永久地址，给运行客户端软件的计算机分配一个临时地址。

DHCP 使用客户 - 服务器方式 ：

• 需要 IP 地址的主机在启动时就向 DHCP 服务器广播发送发现报文，这时该主机就成为 DHCP 客户。
• 本地网络上所有主机都能收到此广播报文，但只有 DHCP 服务器才回答此广播报文。
• DHCP 服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息。若找不到，则从服务器的 IP 地址池中取一个地址分配给该计算机。
• DHCP服务器的回答报文叫做提供报文，这个提供报文依旧以广播的形式发送 。

租用期 ：

• DHCP 服务器分配给 DHCP 客户的 IP 地址的临时的，因此 DHCP 客户只能在一段有限的时间内使用这个分配到的 IP 地址。DHCP 协议称这段时间为租用期。
• 租用期的数值应由 DHCP 服务器自己决定。
• DHCP 客户也可在自己发送的报文中（例如，发现报文）提出对租用期的要求。

DHCP协议的工作过程 ：

前四次之后新加入的主机就得到了一个带有租用期的IP地址。
DHCP 客户现在要根据服务器提供的租用期 T 设置两个计时器 T1 和 T2，它们的超时时间分别是 0.5T 和 0.875T。当超时时间到就要请求更新租用期。
6 ：租用期过了一半（T1 时间到），DHCP 发送请求报文 DHCPREQUEST，要求更新租用期。

7&8 ：DHCP 服务器若同意，则发回确认报文DHCPACK。DHCP 客户得到了新的租用期，重新设置计时器，DHCP 服务器若不同意，则发回否认报 DHCPNACK。这时 DHCP 客户必须立即停止使用原来的 IP 地址，而必须重新申请 IP 地址（回到步骤2）。

若 DHCP 服务器不响应步骤6的请求报DHCPREQUEST，则在租用期过了 87.5% 时，DHCP 客户必须重新发送请求报文 DHCPREQUEST（重复步骤6），然后又继续后面的步骤。

9 ：DHCP 客户可随时提前终止服务器所提供的租用期，这时只需向 DHCP 服务器发送释放报文 DHCPRELEASE 即可。

6.7 简单网络管理协议 SNMP

被管对象 ：

• 网络的每一个被管设备中可能有多个被管对象。
• 被管设备有时可称为网络元素或网元。
• 在被管设备中也会有一些不能被管的对象。

6.7.1 网络管理的基本概念

• 简单网络管理协议SNMP 中的管理程序和代理程序按客户–服务器方式工作。
• 管理程序运行 SNMP 客户程序，向某个代理程序发出请求（或命令），代理程序运行 SNMP 服务器程序，返回响应（或执行某个动作）。
• 在网管系统中，往往是一个（或少数几个）客户程序与很多的服务器程序进行交互。

SNMP 的网络管理由三个部分组成：

• SNMP 本身
• 管理信息结构 SMI
• 管理信息库 MIB

SNMP的指导思想 ：

• SNMP 最重要的指导思想就是要尽可能简单。
• SNMP 的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网络设备等。
• 在网络正常工作时，SNMP 可实现统计、配置、和测试等功能。当网络出故障时，可实现各种差错检测和恢复功能。
• 虽然 SNMP 是在 TCP/IP 基础上的网络管理协议，但也可扩展到其他类型的网络设备上。

6.7.2 管理信息结构 SMI

SMI 定义了命名对象和定义对象类型（包括范围和长度）的通用规则，以及把对象和对象的值进行编码的规则。

6.7.3 管理信息库 MIB

MIB 在被管理的实体中创建了命名对象，并规定了其类型。
管理程序使用 MIB 中的信息，对网络进行管理。

6.7.4 SNMP 的协议数据单元和报文

SNMP 的操作只有两种基本的管理功能：

• “读”操作，用 get 报文来检测各被管对象的状况；
• “写”操作，用 set 报文来改变各被管对象的状况。
  SNMP 的这些功能通过探询操作来实现。

SNMP 的探询操作

• 探询操作 —— SNMP 管理进程定时向被管理设备周期性地发送探询信息。
• 探询的好处：
  • 可使系统相对简单。
  • 能限制通过网络所产生的管理信息的通信量。
• 探询的缺点：
  • 不够灵活，而且所能管理的设备数目不能太多。
  • 开销也较大。

当被管对象的代理检测到有事件发生时，就检查其门限值。代理只向管理进程报告达到某些门限值的事件（即过滤）

6.8 应用进程跨越网络的通信

6.8.1 系统调用和应用编程接口

• 大多数操作系统使用系统调用 (system call ) 的机制在应用程序和操作系统之间传递控制权。
• 对程序员来说，每一个系统调用和一般程序设计中的函数调用非常相似，只是系统调用是将控制权传递给了操作系统。

6.8.2 几种常用的系统调用

• 当应用进程需要使用网络进行通信时，就发出系统调用。
• 使用 TCP/IP 应用编程接口 API，就可以编写基于互联网的网络应用程序了。
• 调用 API 时，用户可以使用 TCP 服务，也可以使用 UDP 等其他服务。

6.9 P2P 应用

6.9.1 具有集中目录服务器的 P2P 工作方式

• Napster 最早使用 P2P 技术，提供免费下载 MP3 音乐。
• Napster 将所有音乐文件的索引信息都集中存放在 Napster 目录服务器中。
• 使用者只要查找目录服务器，就可知道应从何处下载所要的MP3文件。
• 用户要及时向 Napster 的目录服务器报告自己存有的音乐文件。
• Napster 的文件传输是分散的，文件的定位则是集中的。

6.9.2 具有全分布式结构的 P2P 文件共享程序

• eMule 使用了一些服务器。这些服务器并不是保存音频/视频文件，而是保存用户的有关信息，因而可以告诉用户从哪些地方可以下载到所需的文件。
• eMule 使用了专门定义的文件夹，让用户存放可以和其他用户共享的文件。
• eMule 的下载文件规则是鼓励用户向其他用户上传文件。用户上传文件越多，其下载文件的优先级就越高（因而下载就越快）。

6.9.3 P2P 文件分发的分析

从互联网传送数据到主机，叫做下载 。
从主机向互联网传送，则称为上传或上载。

6.9.4 在 P2P 对等方中搜索对象

• 现在广泛使用的索引和查找技术叫做分布式散列表 DHT 。DHT 也可译为分布式哈希表，它是由大量对等方共同维护的散列表。
• 广泛使用的 Chord 算法是美国麻省理工大学于2001 年提出的。
• 分布式散列表 DHT 利用散列函数，把资源名 K 及其存放的结点 IP 地址 N 都分别映射为资源名标识符 KID 和结点标识符 NID。
• Chord 把结点按标识符数值从小到大沿顺时针排列成一个环形覆盖网络。