北航计网课程笔记-六、应用层

第六章 应用层

应用层概述

应用层对应用程序的通信提供服务。

• 应用层的功能：
  • 文件传输、访问和管理
  • 电子邮件
  • 虚拟终端
  • 查询服务和远程作业登录
• 应用层的重要协议
  • FTP
  • SMTP、POP3
  • HTTP
  • DNS

网络应用模型

客户/服务器模型C/S

• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方
• Web、FTP、远程登录、电子邮件
• 网络中各计算机地位不平等
• 网络的管理非常集中和方便
• 客户机之间不直接通信
• 可扩展性不佳
• 服务器的性能决定了整个系统的性能

P2P模型

特点：

• 典型的分布式计算模型

• 每个节点都同时具有上传、下载的功能，权利和义务大体对等

• 任意一对计算机（对等方）直接相互通信

分类：

• 集中目录式
• 纯P2P模式
• 混合式

优点：

• 减轻了服务器的计算压力，大大提高了系统效率和资源利用率
• 多个客户机之间可以直接共享文档
• 可扩展性好
• 网络健壮性强

缺点：

• 占用主机内存
• 使网络拥塞

DNS

域名系统：用来把便于记忆的域名解析为便于机器处理的IP地址。

典型的C/S系统

多层次的、基于域的命名系统，使用分布式数据库实现这种命名机制。

层次域名空间

域名服务器

• 域名服务器负责把域名解析为IP地址，管辖范围称为区。每个区所有节点相通。

• 因特网上所有主机的映射分布在所有DNS上。

• DNS域名服务器把数据复制到几个域名服务器来保存，其中的一个是主域名服务器，其他的是辅助域名服务器。

  当主域名服务器出故障时，辅助域名服务器可以保证DNS的查询工作不会中断，提高域名服务器的可靠性。

• 根域名服务器：负责管理顶级域名的服务器，知道所有顶级域名服务器的IP地址。

  IPv4根域名服务器全球一共13个。

• 顶级域名服务器：负责管理所有二级域名。收到DNS查询请求时，就给出相应的回答，可能是最后的结果，也可能是下一步查找的域名服务器的IP地址。

• 权限域名服务器：每台主机都必须在权限域名服务器上登记，权限服务器可以将它所管辖的主机名转化为主机的IP地址。一台主机最好有两个权限域名服务器。

• 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。

域名解析过程

• 递归查询：

  本地域名服务器向根域名服务器查询一次，其余查询递归地在其他几个域名服务器之间进行。

  根域名服务器负载过大。

• 迭代查询：

  例：查询www.qwq.com

  • 客户机向本地域名服务器发送DNS请求报文
  • 本地域名服务器查询本地缓存，如果没有记录，则以DNS客户机的身份向根域名服务器发送解析请求报文。
  • 根域名服务器收到请求后，判断出域名属于com顶级域，返回com顶级域名服务器IP地址。
  • 本地域名服务器向com顶级域名服务器发送请求解析报文
  • com顶级域名服务器收到请求后，判断域名属于qwq.com，返回qwq.com的授权域名服务器的IP地址。
  • 本地域名服务器向qwq.com的授权域名服务器发送请求解析报文
  • 授权域名服务器收到请求后，判断域名属于www.qwq.com主机，返回这台主机的ip地址。
  • 本地域名服务器将结果保存到 本地缓存，同时返回给客户机。

高速缓存

提高查询效率，减少因特网上DNS查询报文数量。DNS服务器在一段时间后会丢弃高速缓存中的信息。

FTP

电子邮件

电子邮件的组成结构

三个主要组成构件：

• 用户代理（UA）：用户与电子邮件系统的接口，通常用户代理就是一个运行在PC上的程序
• 邮件服务器：
  • 发送和接收邮件，同时还要向发件人报告邮件传送的情况。
  • 以客户/服务器模式工作，但必须能同时充当客户和服务器
• 电子邮件使用的协议：如SMTP（推）、POP3（拉）等
• 电子邮件的发送过程：
  1. 发件人写邮件，用户代理用SMTP把邮件发送给发送端邮件服务器。
  2. 发送端邮件服务器把邮件放入缓存队列，等待发送
  3. 发送端SMTP客户进程发现缓存中有待发送邮件，向接收端SMTP服务器发起TCP连接的建立。
  4. TCP连接建立后，发送端SMTP客户进程开始向接收端SMTP服务器发送邮件，发送完毕后关闭TCP连接。
  5. 接收端SMTP进程收到邮件，把邮件放入收信用户邮箱。
  6. 收件人收信时，调用用户代理，使用POP3/IMAP协议将邮件从接收端邮件服务器中取回。

电子邮件格式与MIME

电子邮件格式：

• 电子邮件由信封和内容组成，内容又分为首部和主体。
• 首部包含首部行，首部行由关键字 + : + 值组成。最重要的关键字是 To 和 Subject。
• To：必须的关键字，后面填入一个或多个收件人的电子邮箱地址。格式规定为：收件人邮箱名 @ 邮箱所在主机域名，例如3239695085@qq.com，邮件地址在整个因特网上唯一。
• Subject：可选关键字，邮件的主题，反应邮件的主要内容。

MIME：

• SMTP只能传送定长的ASCII码邮件，很多语言无法传送
• MIME在SMTP协议的基础上，增加了主题结构，定义了非ASCII码的编码规则。
• 内容：
  • 5个新的首部字段：MIME版本，内容描述，内容标识，传送编码和内容类型
  • 定义众多邮件内容格式，对多媒体电子邮件的表示方法进行标准化
  • 定义传送编码，可对任何内容格式进行转化。

SMTP和POP3

SMTP

• 简单邮件传输协议SMTP：使用C/S方式，发送邮件的SMTP就是客户，接收邮件的就是服务器。
• SMTP只支持传输7比特的ASCII码内容。
• 连接建立：
  • 发送方使用端口号25与接收方建立TCP连接。接收方发出220 Service ready的响应，发送方发出HELO命令，并附上发送方主机名
  • 不使用中间的邮件服务器，发送方直接和接收方建立连接。
• 邮件传送
  • 客户端从 MAIL 命令开始，后跟From首部行。
  • 服务器若准备好接收邮件，回答 250 OK 或 550 No such user here。
  • 客户端发送一个或多个 RCPT 命令，后跟To首部行。
  • 每发送一个RCPT命令，都有相应信息从服务器返回。
  • 获得回答后，即确认接收方系统已做好接收邮件准备，客户端发送 DATA 命令，告诉服务器开始传送邮件。
  • 服务器回答 354 Start mail input; end with <CRLF>.<CRLF>，之后客户端发送邮件内容，以 <CRLF>.<CRLF> 结束。
• 连接释放：
  • 客户端发送QUIT命令，服务器回答221 Service closing transmission channel，表示SMTP同意释放TCP连接，至此邮件传送过程结束。

POP3和IMAP

• 邮局协议POP：十分简单但功能有限的邮件读取协议。
  • POP采用 C/S工作方式，传输层使用TCP，端口号110。
  • 两种工作方式：下载并保留，下载并删除（用户是否可以再次从服务器上读取）
  • 第3个版本 POP3采用拉的通信方式，即用户读取邮件时，用户代理向邮件服务器发出请求，拉取用户邮箱中的邮件。
• 因特网报文存取协议IMAP：相比POP复杂许多
  • 为用户提供创建文件夹，移动邮件等功能，为此IMAP维护了会话用户的状态信息。
  • IMAP允许用户代理只获取报文的某些部分，例如可以只读取一个报文的首部，或多部份MIME报文的一部分。

常用的邮件读取协议：POP3、IMAP、HTTP

万维网（WWW）

万维网的概念和组成结构

• 万维网是一个分布式的、联机式的信息存储空间，在此空间中，一样有用过的事物常称为一样资源，并使用一个全域统一资源定位符URL标识。

  这些资源通过超文本传输协议HTTP传送给使用者。

• 万维网内核部分组成：

  • 统一资源定位符URL：标识万维网上各种文档
  • 超文本传输协议HTTP：应用层协议，使用TCP连接进行可靠传输。
  • 超文本标记语言HTML：一种文档结构的标记语言。

• URL格式：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>

• 万维网以C/S方式工作，浏览器是在用户主机上的万维网客户程序，万维网文档驻留的主机则运行服务器程序，这台主机称为万维网服务器。

  • Web用户用了浏览器与服务器建立连接，发送浏览请求
  • 服务器把URL转化为文件路径，并返回给Web浏览器
  • 通信完成，关闭连接

超文本传输协议HTTP

HTTP是面向事务的应用层协议，规定了浏览器和服务器之间的请求和相应的格式和规则，是万维网上能够可靠地交换文件的重要基础。

HTTP的操作过程

HTTP有两类报文：请求报文和响应报文。

例：访问www.qwq.com

• 浏览器分析链接指向页面URL（www.qwq.com）
• 浏览器向DNS请求解析www.qwq.com的IP地址
• DNS解析出IP地址
• 浏览器与该服务器建立TCP连接（默认端口80）
• 浏览器发出HTTP请求：GET/index.htm
• 服务器通过响应把文件index.htm发送给浏览器
• 释放TCP连接
• 浏览器释放文件indx.htm，并将Web页显示给用户。

HTTP的特点

• HTTP使用TCP作为传输层协议，保证了数据的可靠性，但HTTP本身是无连接的。

• HTTP是无状态的，同一个客户第二次访问同一个服务器上的页面时，服务器相应与第一次被访问是一样的。

• HTTP的无状态特性简化了服务器的设计，使服务器更容易支持大量并发的HTTP请求。实际应用中，通常使用Cookie加数据库的方式跟踪用户的活动

• Cookie工作原理

  • 当某个用户浏览某个使用Cookie的网站时，该网站的服务器就为用户产生一个唯一识别码，并在用户的响应报文中添加一个Set-cookie的首部行。
  • 用户继续浏览这个网站时，会取出这个网站的识别码，并放入请求报文的首部行。
  • 服务器根据请求报文中的 Cookie识别码 就能从数据库中查询到该用户的活动记录，执行一些个性化操作。

• HTTP既可以使用非持久性连接，也可以使用持久连接。

• 对于非持久性连接，每个网页元素对象的传输都要单独建立TCP连接。每个对象的引入都要导致 2×RTT 的开销，一次用于建立TCP连接，另一次用于请求和接收文档。这使得万维网服务器的负担很重。

• 对于持久连接，指的是服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户和服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求和响应报文。

HTTP的报文结构

• HTTP是面向文本的，因此报文中每个字段都是一些ASCII码串，且每个字段长度都是不确定的

• 分为请求报文和响应报文，两者都由三部分组成，区别在于开始行不同。

  

  • 开始行：区别报文是请求报文还是响应报文。请求报文中称为请求行，响应报文中称为状态行。

  • 开始行三个字段之间以空格分隔，最后的CR和LF分别表示回车和换行

  • 请求报文的请求行包含三个字段：

    • 方法：表示请求的类型，如 GET、POST、HEAD 等。
    • URL：表示请求的资源的位置。
    • HTTP版本：表示请求报文的HTTP版本。

  • 响应报文的状态行包含三个字段：

    • HTTP版本：表示响应报文的HTTP版本。
    • 状态码：表示服务器对请求的处理结果。
    • 状态码的原因短语：表示状态码的含义。

  • 首部行：用来说明浏览器、服务器或报文主体的一些信息。首部可以有几行，也可以不使用。

    每个首部行中都有首部字段和它的值，每一行结束都要有CRLF。

    整个首部行结束时，还有一个空行将它和后面的实体主体分开。

  • 实体主体：请求报文一般不用，响应报文很少用。