第六章 应用层

TIP

• 应用层对应用程序的通信提供服务

应用层定义了什么？

• 应用进程交换的报文类型
  • 请求还是响应
• 各种报文类型的语法
  • 报文中的各个字段及其详细描述。
• 字段的语义
  • 包含在字段中的信息的含义
• 进程何时、如何发送报文，以及对报文进行响应的规则

「应用层模型」用户/服务器模型(C/S)

• 服务器：提供计算服务的设备
  • 永久提供服务
  • 永久性访问地址/域名
• 客户机：请求计算服务的主机
  • 与服务器通信，使用服务器提供的服务
  • 间歇性接入网络
  • 可能使用动态IP地址
  • 不与其他客户机直接通信

• 应用场景
  • Web
  • 文件传输FTP
  • 远程登录
  • 电子邮件

「应用层模型」P2P模型

• 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/节点之间可以直接通讯
• 节点间歇性接入网络
• 节点可能改变IP地址
• 可扩展性好
• 网络健壮性强

第二节 域名系统(DNS)

「域名」域名是什么？

$$\frac{www}{\mathrm{三}\mathrm{级}\mathrm{域}\mathrm{名}}.\frac{daynoti}{\mathrm{二}\mathrm{级}\mathrm{域}\mathrm{名}}.\frac{com}{\mathrm{顶}\mathrm{级}\mathrm{域}\mathrm{名}}$$

• 顶级域名
  • 国家顶级域名：cn，us，uk
  • 通用顶级域名：com，net，org，gov，int，aero，museum，travel
  • 基础结构域名/反向域名：arpa
• 二级域名
  • 类别域名：ac，com，edu，gov，mil，net，org
  • 行政区域名：bj，js
  • 自己注册的：必须要全球唯一
• 三级域名
• 四级域名
• ……

域名的特征

• 域名不区分大小写
• 域名中的符号只能有 “-”
• 域名中的每一段称为一个标号
  • 单个标号的长度不超过36个字符
  • 整体域名不超过255个字符

「域名」域名服务器

• 根域名服务器：存储各个顶级域名对应的顶级域名服务器地址
• 顶级域名服务器：管理该顶级域名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，将域名转换为所管辖主机的IP地址
• 本地域名服务器：当一个主机发出DNS查询请求时，这个查询请求报文就发给本地域名服务器，本地域名服务器将请求转交至根域名服务器

「域名」域名解析过程

• DNS协议使用UDP传输、是无连接的。

递归查询

• 本地域名服务器的查询请求层层转发，最后得到所找域名的IP地址。

迭代查询

• 每次查询所得的下一级域名服务器IP返回给本地域名服务器，本地域名服务器亲自动手。

第三节 文件传输

文件传送协议FTP（File Transfer Protocol）： 提供不同种类主机系统（硬、软件体系等都可以不同）之间的文件传输能力。

• FTP是基于C/S的协议
• FTP使用TCP实现可靠传输
• 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
• FTP服务器：依照FTP协议提供服务，进行文件传送的计算机
• FTP客户端：连接FTP服务器，遵循FTP协议与服务器传送文件的电脑

「FTP」工作原理

• 登录：用户通过用户名密码的方式登录到服务器，也可以通过匿名登陆访问公开共享的文件。

FTP的服务器进程

• （1）主进程
  • 只有一个
  • 一直打开，准备响应新的请求
• （2）从属进程
  • 多个
  • 需要时打开，负责处理单个请求
  • 处理完单个请求后关闭

工作步骤

1. 打开控制端口（21），使得客户进程能够连接
2. 等待客户进程发送请求
3. 启动从属进程处理请求
4. 主进程继续等待其他请求

「FTP」控制连接与数据连接

• 控制连接

  • 负责传输请求
  • 始终保持连接
  • 服务端端口号为21

• 数据连接

  • 负责传输数据
  • 需要时打开连接
  • 端口号与传输模式有关
    • 主动方式：20（客户端的端口号自定）
    • 被动方式：服务端与客户端商定（>1024）

「FTP」数据传输方式

• 文本方式：ASCII模式，以文本序列传输数据
• 二进制方式：Binary模式，以二进制序列传输数据

第四节 电子邮件

「电子邮件」格式

• 首部
  • From（系统自动生成）：yang722900@gmail.com
  • To（必须填入）：meetalan@outlook.com
  • Subject（可选）：电子邮件格式
• 主体
  • 正文内容

「电子邮件」组成结构

• 用户代理
  • 为用户提供的图形界面
  • 例如outlook等
  • 将邮件发送到自身的邮件服务器
• 邮件服务器
  • 将邮件发送到接收方的邮件服务器
  • 向发件人报告邮件传输结果
  • 可以同时充当服务器和客户
  • 基于C/S模式
  • 使用TCP连接实现可靠传输

「电子邮件」简单邮件传送协议SMTP

• SMTP客户：负责发送邮件的SMTP进程
• SMTP服务器：负责接收邮件的进程
• SMTP使用的端口号为25

SMTP传输过程

• 建立连接
• 邮件发送
• 连接释放

SMTP协议的缺点

• SMTP不能传送可执行文件或者其他二进制对象
• SMTP仅限于传送7位ASCII码，不能传送其他非英语国家的文字
• SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件

• 通用因特网邮件扩充MINE：可以将原本SMTP不支持传输的格式、语言等转化为7位ASCII码，经由SMTP传输后再恢复为原文件类型。

「电子邮件」邮局协议POP3

• 端口为110
• 在传输层明文传输
• 将邮件下载至客户端，并视情况
  • 继续保留在服务器中
  • 删除服务器中的邮件

「电子邮件」网际报文存取协议IMAP

• 当用户PC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
• IMAP允许只读取邮件中的某一个部分

「电子邮件」基于万维网的电子邮件

• 使用浏览器登录电子邮箱来收发电子邮件

• 用户代理
  • 浏览器
  • 通过HTTP协议与邮件服务器连接
• 邮件服务器
  • 使用供应商的邮件服务器而不是自己的
  • 邮件服务器之间的通信协议仍然为SMTP

第五节 万维网

「万维网」概述

• 万维网是基于C/S的协议
• 统一资源定位符URL：资源在万维网中的唯一标识
  • 组成方式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>
  • URL不区分大小写
• 超文本传输协议HTTP
• 超文本标记语言HTML

「HTTP」超文本传输协议

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
• 服务器怎样把文档传送给浏览器

「HTTP」连接过程

1. 浏览器分析URL
2. 浏览器向DNS请求解析IP地址
3. DNS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」协议特点

• HTTP是无状态的
  • 每一次连接是一样的
  • 通过cookie识别用户，存储用户信息
• HTTP采用TCP作为传输层协议
  • HTTP是面向连接的：采用TCP协议
  • HTTP本身是无连接的：通信双方在交换HTTP报文之前不需要先建立HTTP连接

「HTTP」连接方式

• 非持久连接：每一次的传输都需要先进行HTTP握手
  • 传输时间为2×RTT+文件传输时间2×RTT+文件传输时间
• 持久连接：连接建立后会保持一段时间，可以继续传输后续的请求
  • 非流水线式连接：类似停等协议，每一个请求按序发送
  • 流水线式连接：类似GBN和SR协议，请求可以一起发送

非持久连接

持久连接

「HTTP」报文结构

• HTTP报文是面向文本的，因此在报文中的每一个字段都是一些ASCII码串

• 请求报文
  • 请求行
    • 方法：GET、SET等
    • URL
    • 版本：协议版本
    • 换行标志
  • 首部行：说明浏览器等的一些信息
• 响应报文
  • 状态行
    • 状态码+短语：404 NOT FOUND等
    • 换行标志
  • 首部行