第六章–应用层
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计算机网络
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5431 字
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19 分钟
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6.1、应用层概述

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我们在浏览器的地址中输入某个网站的域名后，就可以访问该网站的内容，这个就是万维网WWW应用，其相关的应用层协议为超文本传送协议HTTP

用户在浏览器地址栏中输入的是“见名知意”的域名，而TCP/IP的网际层使用IP地址来表示目的主机，从域名到IP地址的装转换，由属于应用层范畴的域名系统DNS，在后台帮用户完成
等等

总结

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6.2、客户/服务器方式和对等方式

概念

  • 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（C/S方式）

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对等方式（P2P方式）

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总结

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6.3、动态主机配置协议DHCP

概念

  • 互联网广泛使用的动态主机配置协议 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 提供了即插即用连网 (plug-and-play networking) 的机制。
  • 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的作用

在之前，如果要正常访问Web服务器，需要该主机手动配置网络的相关配置信息

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如果主机数很多，就工作量大，容易出错

如果我们给网络中添加一台DHCP服务器

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DHCP的工作过程

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 （DHCP DISCOVER），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 (address pool) 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（DHCP OFFER）。

DHCP 工作方式

  • DHCP 使用客户-服务器方式，采用请求/应答方式工作。
  • DHCP 基于 UDP 工作（DHCP报文在运输层会被封装成为UDP用户数据报），DHCP 服务器运行在 67 号端口， DHCP客户运行在 68 号端口。

DHCP交互过程

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DHCP客户端将广播发送DHCP发现报文（DHCP DISCOVER）

  • 事务ID
  • DHCP客户端的MAC地址

封装该报文的IP数据报的源IP地址为0.0.0.0，这是因为主机目前还未分配到IP地址，因此使用该地址代替

目的IP地址为广播地址255.255.255.255，之所以广播发送，是因为主机现在并不知道网络中有哪几个DHCP服务器。它们的IP地址各是什么

DHCP服务器收到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，如果查到匹配信息，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来构建报文并发送

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DHCP服务端将广播发送DHCP提供报文（DHCP OFFER）

  • 事务ID：DHCP客户端会与之前DHCP发现报文的事务ID做对比，来判断该DHCP提供报文是否是自己的
  • 配置信息：
    • IP地址：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（使用ARP来确保所选IP地址未被网络中其他主机占用）
    • 子网掩码
    • 地址租期
    • 默认网关
    • DNS服务器

源IP地址：发送DHCP提供报文的DHCP服务器的IP

目的地址：因为目的主机还没分配到IP，所以使用广播地址

在本例中，DHCP客户会收到两个DHCP服务器发来的DHCP提供报文，DHCP客户从中选择一个，一般选择先到的，并向所选择的DHCP服务器发送DHCP请求报文

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DHCP客户端将广播发送DHCP请求报文（DHCP REQUEST）

  • 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

源地址：0.0.0.0，因为此时DHCP客户才从多个DHCP服务器中挑选一个作为自己的DHCP服务器。它首先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

目的地址：广播地址，这样可以一次性向所有DHCP服务器发送DHCP请求报文，来告知它们是否请求它们作为自己的DHCP服务器

在本例中，假设DHCP客户端选择DHCP服务器1作为自己的DHCP服务器，DHCP服务器1接受该请求，于是DHCP服务器1给DHCP客户端发送DHCP确认报文

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源地址：DHCP服务器1的IP地址

目的地址：广播地址

DHCP客户收到该报文后就可以使用租用的IP地址

在使用前还会进行ARP检测

使用ARP检测所分配到的IP地址是否已被网络中其他主机占用：
⚫ 若是，则发送DHCP谢绝报文，并重新发送DHCP发现报文；
⚫ 否则，可以使用租约中的IP地址与网络中其他主机通信了。

剩下流程图示

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DHCP中继代理

下图的网络拓扑中的各主机是否可以通过DHCP来自动获取到网络配置？

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使用DHCP中继代理是因为我们不用给每一个网络上都设置一个DHCP服务器，这样会使DHCP服务器的数量太多

总结

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6.4、域名系统DNS

概述

域名相比IP地址更容易记忆

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。

名称相同的域名其等级未必相同

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  • 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。
  • 域名服务器分为以下四种不同的类型：
    • 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。
      • 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，而是返回该域名所属顶级域名的顶级域名服务器的IP地址。
    • 顶级域名服务器
      • 顶级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。
    • 权限域名服务器
      • 权限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
      • 另外，权限域名服务器还知道其下级域名服务器的地址名与IP地址的映射关系。
    • 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。

域名解析过程

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总结

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6.5、文件传送协议FTP

概念

  • 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（File Transfer Protocol，FTP）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，允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FTP的应用

FTP采用C/S方式（客户/服务器方式）

FTP客户计算机可将各种类型的文件上传到FTP服务器计算机

FTP客户计算机也可以从FTP服务器计算机下载文件

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根据应用需求的不同，FTP服务器可能需要一台高性能和高可靠性的服务器计算机，也可能只需要一台普通的个人计算机即可。

  • 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基本工作原理

FTP服务器监听熟知端口（端口号为 21），使客户进程能够连接上。

FTP客户随机选择一个临时端口号与其建立TCP连接，这条TCP连接用于FTP客户与服务器之间传送FTP的相关控制命令（这条连接是FTP客户与服务器之间的命令通道）

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下图为建立数据通道的TCP连接

FTP服务器使用自己的熟知端口号20与其建立TCP连接，这条TCP连接用于FTP客户与服务器之间传送文件

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上面例子是主动模式：建立数据通道时，FTP服务器主动连接FTP客户

下图实例为被动模式

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两种模式对比

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注意两种模式都是

控制连接在整个会话期间保持打开状态

数据连接传输完毕后就关闭

总结

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6.6、电子邮件

概念

  • 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：
    • 电话通信的主叫和被叫双方必须同时在场；
    • 一些不是十分紧迫的电话也常常不必要地打断人们的工作或休息。
  • 而电子邮件与邮政系统的寄信相似。
    • 发件人将邮件发送到自己使用的邮件服务器；
    • 发件人的邮件服务器将收到的邮件按其目的地址转发到收件人邮件服务器中的收件人邮箱；
    • 收件人在方便的时候访问收件人邮件服务器中自己的邮箱，获取收到的电子邮件。
  • 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。
  • 用户代理是用户与电子邮件系统的接口，又称为电子邮件客户端软件。
  • 邮件服务器是电子邮件系统的基础设施。因特网上所有的因特网服务提供者ISP都有邮件服务器，其功能是发送和接收邮件，同时还要负责维护用户的邮箱。
  • 协议包括邮件发送协议（例如SMTP）和邮件读取协议（例如POP3，IMAP）。

邮件发送和接收过程

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简单邮件传送协议SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）的基本工作原理

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电子邮件的信息格式

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邮件读取

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基于万维网的电子邮件

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总结

6.7、万维网WWW

概念

概述

  • 万维网 WWW (World Wide Web) 并非某种特殊的计算机网络。
  • 万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所。
  • 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”。

万维网的工作方式

  • 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 (page)。
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万维网应用举例

访问网页

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怎样标志分布在整个互联网上的万维网文档？

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万维网的文档

  • HTML：超文本标记语言 (HyperText Markup Language，HTML)
    • 使用多种“标签”来描述网页的结构和内容
  • CSS：层叠样式表 (Cascading Style Sheets，CSS)
    • 从审美的角度来描述网页的样式
  • JavaScript：一种脚本语言（和Java没有任何关系）
    • 控制网页的行为

超文本传输协议HTTP（Hyper Transfer Protocol）

概念和传输过程

  • 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 (HyperText Transfer Protocol)。
  • HTTP 是一个应用层协议，它使用 TCP 连接进行可靠的传送。
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  • 每个万维网网点都有一个服务器进程，它不断地监听 TCP 的端口 80，以便发现是否有浏览器向它发出连接建立请求。
  • 一旦监听到连接建立请求并建立了 TCP 连接之后，浏览器就向万维网服务器发出浏览某个页面的请求，服务器接着就返回所请求的页面作为响应。
  • 最后，TCP 连接就被释放了。
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HTTP报文格式

HTTP请求报文格式

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HTTP响应报文格式

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使用Cookie在服务器上记录用户信息

  • 早期的万维网应用非常简单，仅仅是用户查看存放在不同服务器上的各种静态的文档。因此HTTP被设计为一种无状态的协议。这样可以简化服务器的设计。
  • 现在，用户可以通过万维网进行各种复杂的应用，如网上购物、电子商务等。这些应用往往需要万维网服务器能够识别用户。
  • Cookie提供了一种机制使得万维网服务器能够“记住”用户，而无需用户主动提供用户标识信息。也就是说，Cookie是一种对无状态的HTTP进行状态化的技术。
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万维网缓存与代理服务器

  • 在万维网中还可以使用缓存机制以提高万维网的效率。
  • 万维网缓存又称为Web缓存（Web Cache），可位于客户机，也可位于中间系统上，位于中间系统上的Web缓存又称为代理服务器（Proxy Server）。
  • Web缓存把最近的一些请求和响应暂存在本地磁盘中。当新请求到达时，若发现这个请求与暂时存放的请求相同，就返回暂存的响应，而不需要按URL的地址再次去因特网访问该资源。

如果该请求有缓存

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如果该请求没有缓存

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若WEb缓存的命中率比较高

则会大大减小了该链路上的通信量，因而减少了访问因特网的时延

假设原始服务器的文档被更改，这样代理服务器的文档就不是最新的

所以原始服务器通常会为每个响应的对象设定一个修改时间字段和一个有效日期字段

若未过期

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若过期并且代理服务器的文档和原始服务器的文档一致，原始服务器则给代理服务器发送不包含实体主体的响应

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若过期并且代理服务器的文档和原始服务器的文档不一致，原始服务器则给代理服务器发送封装有该文档的响应报文

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总结

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