应用层
概述
- 应用层解决通过应用进层的交互来实现特定网络应用的问题
- 应用层是计算机网络体系结构的最顶层，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分
回顾每层的作用：
应用层主要的应用
例如
这就是一种万维网WWW应用，使用的是应用层的超文本传输协议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地址的转换，由属于应用层范畴的域名系统DNS，在后台帮用户完成
其他应用：
客户服务器(C/S)方式和对等(P2P)方式
- 网络应用程序运行在处于网络边缘的不同段的系统上，通过彼此间的通信来完成某项任务
- 开发一种新的网络应用给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他们之间的关系
目前流行的两种方式是：
- 客户/服务器(Client/Server,C/S)方式
- 对等方式（Peer-to-Peer，P2P）方式
客户/服务器(Client/Server,C/S)方式
- 客户和服务器指的是通信中所设计的两个应用进程
- 客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系
- 客户是服务请求方，服务器是服务提供方
- 服务器总是处于运行状态的，并且等待计算机的服务请求。
- 服务器有固定端口号（如HTTP服务器的默认端口是80）,而运行服务器的主机有固定的IP地址
示意图
对等方式（Peer-to-Peer，P2P）方式
- 在P2P方式中，没有固定的服务请求者和服务提供者，分布在网络边缘各端系统中的应用程序是对等的，被称为对等方。
- 对等方之间直接通信，每个对等即是服务的请求者，又是服务的提供者。
- 目前在因特网上流行的P2P应用主要包括P2P文件共享、即时通信，P2P流媒体、分布式存储等。
- 基于P2P应用是服务分散型的，因为服务不是集中在少数几个服务器计算机中，而是分散在大量对等计算机中。这些计算机不为服务提供商所有，而是个人控制的桌面计算机和笔记本电脑，通常位于住宅、校园和办公室中。
- P2P的最突出的特性之一就是他的可扩展性。因为系统的每增加一个对等方，不仅增加的是服务的请求者，同时也增加了服务的提供者，系统性能不会因为规模的增大而降低
示意图
动态主机配置协议DHCP
概述
- 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作用
在没有DHCP时，我们需要手动给每台主机设计IP地址、子网掩码、默认网关等数据。
当网络中主机较多时，手工配置的工作量大，并且容易出错。
当在网络中设置DHCP服务器后：
在引入DHCP服务器后，网络中各主机开机后自动启动DHCP程序，向DHCP服务器请求自己的网络配置信息。
此时网络中各主机就可以通过DHCP自动获取网络配置信息。
DHCP的运行过程
- DHCP 使用客户 - 服务器方式
- DHCP在运输层使用UDP协议，DHCP 服务器运行在 67 号端口， DHCP客户运行在 68 号端口
用两个服务器，一个客户端举例。
- 客户端广播DHCP发送报文
由于此时客户端还没有设置地址，此时将源地址设置为0.0.0.0，目的地址设置为广播地址255.255.255.255（因为不知道DCHP的服务器地址）,目的端口设置为67（DHCP服务器端口）
除了DHCP服务器外，其他进程不能接收该UDP报文（其他接收端口不是67）
在DHCP发送报文中格式比较复杂，只需要知道其内部有事务ID和DHCP客户端的MAC地址。
由于DHCP服务器进程是一直运行的，当收到DHCP发送报文后，会根据其MAC地址在自己的数据库查找，若数据库中有该MAC地址的配置信息，则用这些配置信息来构建发送报文。若没有，则采用默认信息来构建并发送DHCP报文。
- DHCP服务器接收报文后返回DHCP提供报文：
源地址设置为服务器地址，由于此时客户端还没有设置地址，此时将，目的地址设置为广播地址255.255.255.255（只有广播地址能使其接到）,目的端口设置为68（DHCP客户端端口）
除了DHCP客户端外，其他进程不能接收该UDP报文（其他接收端口不是68）
在DHCP提供报文中有以下信息：
- 事务ID:DHCP客户会根据DHCP提供的事务ID,当报文中的事务ID与客户端的发送的事务ID相等时，就表示是自己请求的报文，将其接收。
- 配置信息：IP地址、子网掩码、地址租期等。
在使用IP地址时会使用ARP协议来确保所选IP地址未被网络中其他主机占用。
在本例子中会受到两个服务器发来的报文，只会从中选择一个，并且一般会选择先到达的那个。并向该服务器发送DHCP请求发送报文。
- 客户端发送选择服务器的发送请求报文：
此时为了避免向网络中的每一个DHCP服务器单播发送DHCP请求报文，选择广播发送报文，来告知他们是不是自己选择的DHCP服务器。
DHCP请求报文中封装有以下数据：
事务ID、DHCP客户端的MAC地址、接受租约中的IP地址、接收此租约DHCP服务器的IP地址。DPCH服务器根据报文中的内容，若发现其选择自己服务器，便将其接收，并给该客户端发送DHCP确认报文。
- DHCP服务器发送确认报文：
此报文中数据设置为:
- 源地址：DHCP服务器1的IP地址
- 目的地址：广播地址
DHCP客户经过验证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）
- 如果达到租用期一半时，发送续约请求：
当到达租用期的一半时，会发送续约请求给服务器，根据服务器情况进行相应反馈。
若没收到服务器反馈，会在0.75个续约期后再次发送并等待回应。
若还是没有反应，会在续约期到达后立即放弃使用该IP地址，重新发送DHCP DISCOVER请求。
客户端可以随时终止使用该IP地址。
DHCP中继代理
有路由器进行隔离的网络能使用DHCP吗？
由于路由器隔离广播域，因此其DHCP请求报文不能发送到DHCP服务器中，所以其不能使用DHCP服务。在发送DHCP DISCOVER报文时就被路由器丢弃，无法转发。
解决方法是给服务器配置一个DHCP服务器地址，使其称为DHCP代理中继：
这样做的原因是可以减少DHCP服务器的数量。
通过中继代理进行转发来获取DHCP，而不用新增加一个DHCP服务器。
总结
域名系统DNS
概述
域名系统DNS的作用是将请求的域名转换为IP地址，给相关程序进行发送IP请求。
因特网能否使用一台域名服务器？否
层次树状结构的域名结构
因特网采用层次树状结构的域名结构
域名的分类
顶级域名分类
值得注意的是，域名一样但是代表的级别不一定一样。
因特网的域名空间举例
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存储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。
域名服务器的分类
域名解析的过程
递归查询
迭代查询
先向本地域名服务器进行递归查询，本地域名服务器通过和根域名进行迭代查询，根域名服务器告诉本地域名服务器顶级域名服务器的IP，本地域名服务器继续进行迭代查询。
高速缓存
由于域名可能会变动，所以设置了时间清除高速缓存
练习
练习一
练习二
总结
文件传送协议FTP
概述
- 文件传送是将某台计算机中的文件通过网络传送到可能相距很远的一台计算机中，是一项基本的网络应用
- 文件传输协议FTP是因特网上使用的最广泛的文件传送协议
- FTP协议的要点：
- FTP提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型和格式（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输文件
- 在因特网发展早期阶段，用FTP传输占整个因特网通信量的三分之一，而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。到了1995年，万维网的通信量才首次超过了FTP
FTP的应用过程
- FTP使用C/S方式（用户/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客户计算机可以从FTP服务器计算机下载文件：
FTP的常见用途
- 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建立连接的模式
主动模式
被动模式
注意：
FTP客户和服务器之间要建立以下两个并行的TCP连接:
- 一个是控制连接，在整个会话期间一直保持打开，用于传送FTP相关控制命令。
- 另一个是数据连接，用于文件传输，在每次文件传输时才建立，传输结束就关闭。
FTP客户和服务器之间要建立“控制连接”和“数据连接”这两个并行的TCP连接。控制连接在整个会话期间都保持打开状态，而数据连接在每次文件传输时才建立，传输结束就关闭。
默认情况下，FTP使用TCP21端口进行控制连接，TCP 20端口进行数据连接。
但是，是否使用TCP 20端口建立数据连接与传输模式有关，主动方式使用TCP 20端口，被动方式由服务器和客户端自行协商决定。
练习
练习一
练习二
总结
电子邮件
概述
- 电子邮件（E-mail）是因特网上最早流行的一种应用，并且仍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试试通信，具有以下两个缺点：
- 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。
- 电子邮件和邮件系统的寄信相似，其工作过程如下：
- 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、传播迅速并且费用低廉。不仅可以传送文字信息，而且还可以附上声音和图像。
- 随着电子邮件的广泛应用，许多国家已经正式取消了电报业务。
- 电子邮件也是使用了客户/服务器方式
- 电子邮件系统的三个主要组成构件：用户代理，路由服务器以及电子邮件所需协议。
电子邮件的发送过程
可见以上发送邮件到服务器用到了SMTP协议，从服务器接收文件用到了POP3协议。
简单邮件传送协议SMTP（Simple Mail Transfer ）基本工作原理
SMTP发送方的邮件服务器会周期性对邮件进行缓存扫描，若发现有邮件，会通过TCP协议，端口号25与接收方的邮件服务器建立连接。
建立这条连接后，STMP客户基于这条连接给SMTP服务器发送SMTP命令，共14条。SMTP服务器会给SMTP客户端发送相应的应答，共21种。
双方通过这种命令和应答的方式最终实现客户发送邮件给SMTP服务器。
详细过程
电子邮件格式
MIME
也就是进行转换编码操作
转换示意图
常用的邮件协议（IMAP POP）
常用的邮件读取协议有以下两个:
邮局协议POP(Post Office Protocol),POP3是其第三个版本，是因特网正式标准。
- 非常简单、功能有限的邮件读取协议。用户只能以下载并删除方式或下载并保留方式从邮件服务器下载邮件到用户方计算机。不允许用户在邮件服务器上管理自己的邮件。(例如创建文件夹，对邮件进行分类管理等)。
因特网邮件访问协议IMAP(Internet Message Access Protocol)，IMAP4是其第四个版本，目前还只是因特网建议标准。
- 功能比POP3强大的邮件读取协议。用户在自己的计算机上就可以操控邮件服务器中的邮箱，就像在本地操控一样，因此IMAP是一个联机协议。
POP3和IMAP4都采用基于TCP连接的客户/服务器方式。POP3使用熟知端口110，IMAP4使用熟知端口143。
基于万维网的电子邮件
练习
练习一
练习二
练习三
总结
万维网WWW
概述
万维网WWW(World Wide web)并非某种特殊的计算机网络。是一个规模很大、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的一个分布式应用。
万维网利用网页件的超链接将不同网站的网页链接成一张逻辑上的信息网。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。
- 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。
浏览器：
为了方便访问在室接范围的文档，万维网使用统一资源定位符URL，URL来知名因特网上任何种类资源的位置。
万维网的文档
万维网文档包括HTML,CSS,JS和一些静态资源
超文本传输协议HTTP(HyperText Transfer Protocol)
- HTTP定义了浏览器（万维网进行）怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器怎么样把万维网文档传送给浏览器。
例如：
用户主机需要访问万维网服务器。
首先客户进程会利用80端口和服务器建立TCP请求，然后通过该连接发送HTTP请求报文。
服务器收到请求报文后也会通过该连接发送HTTP响应报文。
非持续连接
HTTP/1.0采用非持续连接方式。该方式下，每次浏览器要请求一个文件都要与服务器建立TCP连接，当收到响应后就立即关闭连接。
在这种方式下，在建立阶段的第三次握手会写道HTTP请求报文进行发送，每次请求一次数据都需要花费2RTT + 文档的传输时延。也就是每请求一个数据都会发送一个http请求，再获取响应报文。
因此存在以下弊端：
持续连接
因此出现了HTTP/1.1版本：
HTTP/1.1采用持续连接方式。该方式下，万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户和该服务器可以在这条连接上继续传送后续的HTTP报文。这样子并不局限于传送同一个页面上引用的对象，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。
HTTP报文格式
- HTTP是面向文本的。其报文的每一个字段都是一些ASCII码串，并且每个字段的长度都是不确定的。
- HTTP报文分为请求报文、响应报文。
请求报文
具体格式：
http的请求方法都有哪些？
响应报文
响应报文的常见状态行
Cookie
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—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实现各种复杂的应用，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说，Cookie是一种对无状态的HTTP进行状态化的技术。
cookie的工作原理
再用户登录之后，方式http请求，服务器响应后带上Set-Cookie标志能够通过cookie的值识别，下一次访问直接带上Cookie的值，服务器识别cookie的就能直接访问。
缓存和代理服务器
缓存工作原理
好处
如果原始服务器改变了缓存，那么就会有缓存不一致的问题，那么在缓存中设置了过期时间，过期之后在访问原始服务器
若没有改变，则原始服务器回送一个 NOT NOTIFY信号，代理服务器接收到后会将修改时间改为当前时间，不修改缓存中的文档，并且将缓存中的文档包装在响应报文中发送给用户主机。
若改变，则原始服务器会在响应报文中附带修改后的文档，代理服务器接收到后会将修改时间改为当前时间，并且缓存中的文档进行更新，更新后，将缓存中新的文档包装在响应报文中发送给用户主机。
练习
练习一
练习二
总结
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