计算机网络：应用层
0 本节主要内容
问题描述
解决思路
1 问题描述
不同的网络服务：
- DNS：用来把人们使用的机器名字（域名）转换为 IP 地址；
- DHCP：允许一台计算机加入网络和获取 IP 地址，而不用手工配置；
- SNMP：网络管理员利用网络管理协议，通过管理站对网络中的被管设备进行管理。
不同的网络应用：
- 万维网：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；
- 电子邮件：使用电子设备交换的邮件及其方法；
- 文件传输：FTP、TFTP；
- 远程登录：Telnet。
2 DNS
2.1 域名系统
域名采用层次树状结构的命名方法：www.myschool.edu。
DNS 是一个联机分布式数据库系统，采用客户服务器方式。
域名到 IP 地址的解析是由若干个域名服务器程序共同完成。
域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。
2.2 迭代查询
2.3 递归查询（比较少用）
3 DHCP
动态主机配置协议 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用连网 (plug-and-play networking) 的机制，允许一台计算机加入网络和获取 IP 地址，而不用手工配置。
3.1 DHCP 工作方式
需要 IP 地址的主机向 DHCP 服务器广播发送发现报文 (DHCPDISCOVER) 。
DHCP 服务器回答提供报文 (DHCPOFFER) （单播），提供 IP 地址等配置信息。
3.2 DHCP 中继代理 (relay agent)
问题：每个网络上都需要有 DHCP 服务器吗？
答案：不需要，因为会使 DHCP 服务器的数量太多。
问题：若没有 DHCP 服务器，如何自动获得地址？
解决：每一个网络至少有一个 DHCP 中继代理，它配置了 DHCP 服务器的 IP 地址信息。
DHCP 中继代理收到主机广播发送的发现报文后，就以单播方式向 DHCP 服务器转发此报文，并等待其回答。
收到 DHCP 服务器回答的提供报文后，DHCP 中继代理再将其发回给主机。
4 SNMP
网络管理的五大功能：
- 故障管理：故障检测、隔离和纠正。
- 配置管理：初始化网络、并配置网络。
- 计费管理：记录网络资源的使用。
- 性能管理：估价系统资源的运行状况及通信效率等。
- 网络安全管理：对授权机制、访问控制、加密和加密关键字的管理。
4.1 网络管理的一般模型
4.2 简单网络管理协议 SNMP
SNMP 的网络管理由三个部分组成：
- SNMP 本身
- 管理信息结构 SMI (Structure of Management Information)
- 管理信息库 MIB (Management Information Base)。
4.2.1 SMI 规定：所有被管对象必须在命名树上
4.2.2 管理信息库 MIB
节点 mib-2 所包含的信息类别举例：
MIB 变量的例子：
4.3 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 的报文格式：
SNMPv1 定义的协议数据单元 (PDU) 类型：
5 万维网
万维网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。这种访问方式称为“链接”。
万维网 WWW (World Wide Web) 是一个大规模的、联机式的信息储藏所，并非某种特殊的计算机网络。
万维网必须解决的问题：
- (1) 怎样标志分布在整个互联网上的万维网文档？
使用统一资源定位符 URL (Uniform Resource Locator) 。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。 - (2) 用什么协议来实现万维网上的各种链接？
使用超文本传送协议 HTTP (HyperText Transfer Protocol)。HTTP 是一个应用层协议，使用 TCP 连接进行可靠的传送。 - (3) 怎样使不同作者创作的不同风格的万维网文档都能在互联网上的各种主机上显示出来，同时使用户清楚地知道在什么地方存在着链接？
使用超文本标记语言 HTML (HyperText Markup Language) 。 - (4) 怎样使用户能够很方便地找到所需的信息？
使用各种的搜索工具（即搜索引擎）。
5.1 统一资源定位符 URL
由以冒号（:）隔开的两大部分组成，对字符大写或小写没有要求。
5.2 超文本传送协议 HTTP
HTTP 是面向事务的 (transaction-oriented) 应用层协议。使用 TCP 连接进行可靠的传送。定义了浏览器与万维网服务器通信的格式和规则。是万维网上能够可靠地交换文件（包括文本、声音、图像等各种多媒体文件）的重要基础。
HTTP 规定：在 HTTP 客户与 HTTP 服务器之间的每次交互，都由一个 ASCII 码串构成的请求和一个类似的通用互联网扩充，即“类MIME (MIME-like)”的响应组成。HTTP 报文通常都使用 TCP 连接传送。
5.2.1 HTTP 1.0
请求一个万维网文档所需的时间：
协议 HTTP/1.0 的主要缺点：
- 每请求一个文档就要有两倍 RTT 的开销。
- 客户和服务器每一次建立新的 TCP 连接都要分配缓存和变量。
- 这种非持续连接使服务器的负担很重。
5.2.2 HTTP 1.1
协议 HTTP/1.1 使用持续连接：服务器在发送响应后仍然在一段时间内保持这条连接（不释放），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。
持续连接：非流水线方式，客户在收到前一个响应之后才能发出下一个请求。
缺点：TCP 连接空闲状态。
持续连接：流水线方式，客户在收到响应报文之前就能够接着发送新的请求报文。连续的多个请求报文到达服务器后，服务器就可连续发回响应报文。
优点：下载效率提高。
5.2.3 HTTP 2
HTTP 2是协议 HTTP/1.1 的升级版本。
- 服务器可以并行发回响应（使用同一个 TCP 连接）。
- 允许客户复用 TCP 连接进行多个请求。
- 把所有的报文都划分为许多较小的二进制编码的帧，并采用了新的压缩算法，不发送重复的首部字段，大大减小了首部的开销，提高了传输效率。
- 向后兼容。
代理服务器 (proxy server) 又称为万维网高速缓存 (Web cache)，它代表浏览器发出 HTTP 请求。使用高速缓存可减少访问互联网服务器的时延。
不使用高速缓存的情况：
使用高速缓存的情况：
5.2.4 HTTP 的报文结构
请求报文：
HTTP 请求报文举例：
响应报文：
响应报文中常见到的三种状态行：
- 接受：HTTP/1.1 202 Accepted
- 错误的请求：HTTP/1.1 400 Bad Request
- 找不到：Http/1.1 404 Not Found
5.2.5 Cookie
万维网使用 Cookie 跟踪在 HTTP 服务器和客户之间传递的状态信息。
5.3 万维网的文档
页面制作的标准语言：HTML。
5.3.1 超文本标记语言 HTML
<HTML>
<HEAD>
<TITLE>一个 HTML 的例子TITLE>
HEAD>
<BODY>
<H1>HTML 很容易掌握H1>
<P>这是第一个段落。P>
<P>这是第二个段落。P>
BODY>
HTML>
5.3.2 动态万维网文档
静态文档：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：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端：文档内容的生成方法不同。从浏览器的角度看，这两种文档并没有区别。
5.3.3 活动万维网文档
活动文档 (active document) 技术：把屏幕连续更新的工作转移给浏览器端。
每当浏览器请求一个活动文档时，服务器就返回一段程序副本在浏览器端运行。
5.4 搜索引擎
5.4.1 全文检索搜索和分类目录搜索
一些著名的搜索引擎：
全文检索搜索引擎：
- Google（谷歌）(www.google.com)
- 必应 (cn.bing.com)
- 百度 (www.baidu.com)。
分类目录搜索引擎：
- 雅虎 (www.yahoo.com)
- 雅虎中国 (cn.yahoo.com)
- 新浪 (www.sina.com)
- 搜狐 (www.sohu.com)
- 网易 (www.163.com)
5.4.2 Google 搜索技术的特点
核心技术：网页排名（PageRank）
- 对搜索结果按重要性排序。
- 对链接的数目进行加权统计。来自重要网站的链接，其权重较大。
- 进行超文本匹配分析，确定哪些网页与正在执行的特定搜索相关。
- 在综合考虑整体重要性以及与特定查询的相关性之后，Google 就把最相关、最可靠的搜索结果放在首位。
5.5 博客和微博
博客：万维网日志 (weblog) 的简称。使网民不仅是互联网上内容的消费者，而且还是互联网上内容的生产者。
微博：微型博客 (microblog)，又称为微博客。只记录片段、碎语，三言两语，现场记录，发发感慨，晒晒心情，永远只针对一个问题进行回答。
5.6 社交网站
社交网站 SNS (Social Networking Site) ：为一群拥有相同兴趣与活动的人创建在线社区。
- 脸书 (Facebook，又名面书、脸谱、脸谱网) (Facebook.com)。
- YouTube.com
- 推特 Twitter (twitter.com) 。
- 微信 (weixin.qq.com)。
- 抖音
6 电子邮件
电子邮件系统的组成：三个主要构件
- 用户代理 UA (User Agent)基本功能： 撰写、显示、处理、通信。
- 邮件服务器 (Mail Server)基本功能：发送和接收邮件，同时还要向发信人报告邮件传送的情况。按照客户服务器方式工作。
- 邮件发送和读取使用不同的协议。简单邮件发送协议 SMTP：用于在用户代理向邮件服务器 或 邮件服务器之间发送邮件。邮局协议 POP3：用于用户代理从邮件服务器读取邮件。
发送和接收电子邮件的重要步骤：
6.1 简单邮件传送协议 SMTP
SMTP 规定了在两个相互通信的 SMTP 进程之间交换信息的方法。
SMTP 使用客户服务器方式。
SMTP 基于 TCP 实现客户与服务器的通信
SMTP 通信的三个阶段：
- 连接建立：
- 邮件传送
- 连接释放
6.2 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。RFC 5322 只规定了邮件内容中的首部 (header) 格式。邮件的主体 (body) 部分则让用户自由撰写。
6.3 邮件读取协议 POP3 和 IMAP
POP3 使用客户服务器方式。POP3 基于 TCP 实现客户与服务器的通信。
POP3 支持用户鉴别。POP3 服务器删除被用户读取了的邮件
IMAP 使用客户服务器方式。IMAP 基于 TCP 实现客户与服务器的通信。IMAP 是一个联机协议。
连接后只下载邮件首部（部分下载）。用户直接在 IMAP 服务器上创建和管理文件夹。
IMAP 与 POP3 比较：
6.4 基于万维网的电子邮件
用户代理 (UA) 的缺点：
- 必须在计算机中安装用户代理软件。
- 收发邮件不方便。
万维网电子邮件优点：
- 不需要在计算机中再安装用户代理软件，发送、接收电子邮件时使用 HTTP 协议。
- 计算机能联网，就能非常方便地收发电子邮件。
- 两个邮件服务器之间传送邮件时使用 SMTP。
- 界面非常友好。
使用 HTTP POST 方法提交要发送的邮件。使用 HTTP GET 方法读取邮件。
6.5 通用互联网邮件扩充 MIME
SMTP 缺点：
- 不能传送可执行文件或其他的二进制对象。
- 限于传送 7 位的 ASCII 码，无法传送非 ASCII 编码的信息。
- 服务器会拒绝超过一定长度的邮件。
通用互联网邮件扩充 MIME 并没有改动 SMTP 或取代它。
意图：继续使用目前的 [RFC 822] 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。
MIME 和 SMTP 的关系：
7 文件传送协议
FTP 客户和服务器之间的两个从属进程和两个 TCP 连接。
简单文件传送协议 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。只支持文件传输，不支持交互。
8 远程终端协议 TELNET
TELNET 使用网络虚拟终端 NVT 格式：
9 应用进程跨越网络的通信
