计网
1. 概述
2. 物理层
3. 链路层
4. 网络层
5. 传输层
6. 应用层
7. 一些问题
8. 计网软件编程——Ethernet&ARP

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6. 应用层

6.0 网络应用模型

6.0.1 客户/服务器模型

服务器：提供计算服务的主机

• 服务器上运行的软件是专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远程或本地请求

• 系统启动后，便不断运行，被动等待并接收来自客户机的请求

• 提供永久的服务，永久的访问地址

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
• 不与其他客户机通信
• 可以使用动态IP

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如：Web应用程序，总是打开的Web服务器服务于运行在客户机上的浏览器请求。当Web服务器收到客户机对某对象的请求后，向该客户机发送所请求的对象做出响应

A. 工作流程

1. 服务器处于 接收请求 状态
2. 客户机发出 服务请求 ，并等待接收结果
3. 服务器收到请求后，分析请求，进行必要处理，得到结果返回给客户机

B. 常见的客户/服务器模型

• Web应用
• 文件传输协议FTP
• 远程登录协议TELNET
• 电子邮件

6.0.2 P2P模型

在P2P模型中，任意一对计算机称为对等方(Peer)， 直接相互通信。

• 每个结点既作为客户访问其他结点的资源，也作为服务器提供资源给其他结点访问。

优点

• 减轻了服务器的计算压力，消除了对某个服务器的完全依赖，可以将任务分配到各个结点上，因此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

• 在获取服务的同时，还要给其他结点提供服务，因此会占用较多的内存，影响整机速度

6.1 DNS

Domain Name System 域名系统：把便于记忆的具有特定含义的主机名转换为便于机器处理的IP地址

一个联机分布式的数据库系统

应用模型：C/S模式

基于UDP：多次DNS请求放回相同的结果

域名与IP地址为多对多的关系

• 一个域名可以映射到多个IP上：处于不同网络中的主机，有两个IP地址、两个网卡，两个MAC地址，可使用同一域名
• 多个域名可指向不同主机IP地址

由 层次域名空间、域名服务器、域名解析器 三部分组成

6.1.1 域名空间

• 域名：采用层次树状结构的命名方法，任何连接到因特网的主机和路由器都有唯一的层次结构的名称

  级别低的写在最左边，级别最高的顶级域名写在最右边

• 域：命名空间一个可被管理的划分，每个域有不同组织管理，每个组织都可将他的域分为一定数目的子域

顶级域名分类

• 国家顶级域名

• 通用顶级域名

• 基础结构域名

  arpa：反向域名，提供IP地址对应的域名

6.1.2 域名服务器

域名服务器：域名到IP地址的解析由运行在域名服务器上的程序完成

• 一个域名服务器管辖的范围称为区

  每个区有相应的权限服务器，用于保存该取区的所有主机的域名IP映射

• 域名服务器之间相互连接，当自己不知道域名对应的IP地址时，能知道去找哪些域名服务器

• DNS使用了大量的域名服务器，以层次的方式组织。没有一台域名服务器具有因特网上所有主机的映射，而是分布在DNS中

A. 根域名服务器

所有根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的IP地址

13台根域名服务器是冗余服务器集群，可以提高安全性和可靠性

通常告诉 本地域名服务器 下一步该去找那个 顶级域名服务器 进行查询

B. 顶级域名服务器

管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名

C. 权限域名服务器

将域名转换为主机的IP地址

• 每台主机都必须在 授权域名服务器(权限域名服务器) 中登记

D. 本地域名服务器

接收主机发送的DNS查询请求报文和返回本机的IP地址

6.1.3 域名解析过程

域名解析：将域名映射称IP地址或把IP地址映射成域名的过程

当客户端需要域名时，通过本机的DNS客户端构造一个 DNS请求报文 ，以 UDP数据报 方式发往 本地域名服务器

在本地域名服务器上，有定时更新的 高速缓存 ：存储域名与IP地址的映射

• 当一个 域名服务器 收到 DNS查询结果 时，将该DNS信息缓存在 高速缓存 中

递归查询方式

1. 如果 本地主机 所询问的 本地域名服务器 不知道被查询域名的IP地址，那么 本地域名服务器 以 DNS客户 的身份，向 根域名服务器 继续发出 查询请求报文

2. 本地域名服务器 只需向 根域名服务器 发送一次 查询请求 ，后面几次查询都是在各级域名服务器之间

3. 本地域名服务器 从 根域名服务器 得到了 IP地址 ，最后返回给 本地域名服务器 在将查询结果转交给本地主机

会使根域名服务器负载过大，实际几乎不用

迭代查询方式

1. 当 根域名服务器 收到 本地域名服务器 发出的 迭代查询报文 时，要么给出 IP地址 ，要么告诉 本地域名服务器 ：下一步向那个 顶级域名服务器 查询
2. 然后 本地域名服务器 向这个 顶级域名服务器 进行后续查询
3. 同样的，顶级域名服务器要么给出IP地址，要么告诉本地域名服务器，去查找那个 权限域名服务器
4. 本地域名服务器 获取 IP地址 后，将结果返回给主机DNS客户端

域名解析过程

1. 客户机 向 本地域名服务器 发出 DNS请求报文
2. 本地域名服务器 收到请求后，查询 本地高速缓存 ，若没有该记录，则以DNS客户机的身份向 根域名服务器 发出解析请求
3. 根域名服务器 收到请求后，判断该域名属于 .com 域，则将对应的 顶级域名服务器 的 dns.com IP地址返回给 本地域名服务器
4. 本地域名服务器 向顶级域名服务器发送 请求报文
5. 顶级域名服务器 收到请求后，判断该域名属于 baidu.com 域，则将对应的 权限域名服务器 dns.baidu.com 的IP地址返回给 本地域名服务器
6. 本地域名服务器 收到请求后，将查询结果返回给 本地域名服务器
7. 本地域名服务器 将查询结果保存在 本地高速缓存 ，同时返回给 客户机

6.2 FTP协议

提供不同种类主机系统间的文件传输能力

• 应用层工作模型：C/S模型
• FTP基于TCP方式
• TFTP使用UDP方式

功能

• 提供不同种类主机系统间的文件传输能力
• 以用户权限管理的方式提供用户对远程FTP服务器上的文件管理能力

6.2.1 两种连接

A. 控制连接

建立在FTP服务器21号端口上的TCP连接，用于传输控制信息（连接请求、传送请求等） ，控制信息都是以7为ASCII传送

• 客户端发出的传送请求，通过控制连接发送给服务端的控制进程

• 控制连接在整个FTP会话期间保持打开状态

• 由于控制信息是分离的，所以FTP控制信息是 带外传输 的

B. 数据连接

数据连接用于连接 客户端 与 服务器端数据传送进程

• 数据传送进程 实际 完成文件的传送，在传送完毕后关闭 数据传送连接 并结束运行

• 使用FTP时，若要修改服务器上的文件，则需要先将此文件传送到本地主机，然后将修改后的文件副本传送会原服务器

6.2.2 建立过程

1. 主机请求建立到FTP服务器控制端口(21)的TCP连接，发送登录用户名和密码
2. 服务器返回登录成功信息。主机打开一个随机端口，将端口号发送给服务器
3. 服务器使用20端口建立一个TCP数据连接到主机打开的随机端口
4. 主机通过控制连接向服务器发送读写文件命令，通过数据连接可以进行文件共享

6.3 电子邮件

6.3.1 电子邮件格式

A. 信封

• 收件方邮箱地址
• 来自首部

B. 内容

• 首部
• 主体
  • To：收件人邮箱名@邮箱所在的服务器域名
  • Subject：主题
  • From：发件人邮箱地址，由邮件系统自动填写

6.3.2 组成结构

异步通信方式，通信时不需要双方同时在场

发送方把邮件发送到收件人使用的邮件服务器，并放在其中的收件人邮箱中，收件人可以随时使用自己的邮件服务器进行读取

A. 用户代理UA

电子邮件客户端软件

B. 邮件服务器

• 发送和接收邮件
• 向发送人报告邮件传送情况

C. 邮件发送协议和读取协议

邮件发送协议

用户代理 向 代理邮件服务器 或 邮件服务器间 发送邮件

• SMTP

邮件读取协议

用户代理 从 邮件服务器 读取邮件

• POP3、IMAP

6.3.3 SMTP协议

控制两个SMTP进程交换信息

• SMTP客户：发送邮件的邮件服务器进程
• SMTP服务器：接收邮件的SMTP进程

应用层模型：C/S

基于TCP：端口号25

A. 三个阶段

1. 连接建立

   SMTP不使用中间邮件服务器，TCP连接在发送方和接收方的邮件服务器之间直接建立

   • 发送方将邮件发送到发送方邮件服务器的邮件缓存中
   • SMTP客户每隔一端时间，对邮件缓存扫描一次。若有邮件则用25端口，与接收方的邮件服务器SMTP进程建立TCP连接
   • 连接建立后，接收方SMTP服务器发出 220 Service ready(服务就绪)。然后SMTP客户向SMTP服务器发送 HELO命令 ，附上发送方的主机名

2. 邮件传送

   MAIL命令，接收邮件服务若有能力接收，器返回 250 OK

   SMTP客户端发送一个RCPT命令，确认接收方系统是否已经做好接收邮件的准备

   获得OK回答后，客户端使用DATA命令，表示要开始传输邮件内容

3. 连接释放

   SMTP客户发送 QUIT命令

   SMTP服务器返回的信息是 221服务关闭 ，表示SMTP同意释放TCP连接

B. SMTP缺点

• SMTP不能传送可执行文件或其他二进制文件
• SMTP仅限传送7位ASCII码，不能传送其他非英语国家文字
• SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件

C. 多用途网络邮件扩充

MIMI增加了邮件主体的结构，并定义了传送非ASCII码的编码规则

6.3.4 POP3

邮局协议(Post Office Protocal)第三版本

应用层模型：C/S

• 接收方的邮件服务器运行POP服务器程序
• 接收方的用户代理运行POP客户程序

基于TCP：端口号110

采用 Pull 通信方式，当用户读取邮件时，用户代理向邮件服务器发出请求，拉取用户邮箱中的邮件

两种工作方式

下载并保留：邮件仍保存在邮件服务器上，用户可再次从服务器上读取该邮件

下载并删除：邮件一旦被读取，就从邮件服务器上移除，用户不能再次从服务器上读取

6.3.5 IMAP

因特网报文存取协议，允许用户代理只获取报文的某些部分

• IMAP客户程序打开IMAP服务器邮箱时，用户可看到邮件首部信息，只有打开具体邮件时，才传到主机上

应用层模型：C/S

基于TCP连接：端口号110

IMAP维持了会话用户的状态信息

6.4 WWW与HTTP协议

万维网是一个资料空间

• 所有可用的事物称为资源，资源由 URL(统一资源定位符) 标识

  这些资源通过 超文本传输协议(HTTP) 传送给使用者，通过单击链接来获取资源

• 万维网是因特网的主要部分，因特网是互联网中最大的一个，广域网与局域网都是互联网的构件

6.4.1 万维网组成

• 统一资源定位符(URL)：负责标识万维网上的各种文档，使每个文档在整个万维网范围有唯一的表示符URL

• 超文本传输协议（HTTP）：一个应用层协议，使用TCP连接进行可靠的传输，HTTP是万维网客户程序和服务器程序之间交互所必须严格遵守的协议

  <协议>://<主机>:端口/路径

• 超文本标记语言（HTML）：一种文档结构的标记语言，使用一些约定的标记对页面上的各种信息、格式进行描述

6.4.2 万维网工作流程

万维网以 客户/服务器 方式工作

浏览器 是在用户计算机上的 万维网客户端程序 ，而 万维网文档驻留的计算机 运行 服务器程序 ，称为 万维网服务器

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客户程序向服务器程序发出请求，服务器程序向客户程序返回客户所要的文档

1. Web用户使用浏览器与Web服务器建立连接，并发送浏览请求
2. Web服务器把URL转换为文件路径，并返回信息给Web浏览器
3. 通信完成，关闭连接

6.4.3 HTTP协议

HTTP定义了 浏览器怎样向万维网服务器请求万维网文档 以及 服务器怎样把文档传送给浏览器

A. HTTP操作过程

1. 浏览器要访问HTTP时，先分析URL，完成对目标服务器的域名解析，获得IP地址
2. 浏览器通过TCP向服务器发送 连接建立请求
3. 每个万维网站点都有一个 服务器进程 ，它不断监听TCP的端口 80 ，当监听到 连接请求 后，便与浏览器建立连接
4. TCP连接建立后，浏览器 向服务器发送 请求获取某个 web页面的HTTP请求
5. 服务器 收到HTTP请求后，将 构建所请求Web页的必需信息 ，并通过HTTP响应返回给浏览器
6. 浏览器 再将信息进行解释，然后将Web页 显示 给用户
7. 最后TCP连接释放

B. HTTP特点

无状态

多次访问与第一次访问相同

Cookie：一个存储于用户主机的文本文件，用于唯一标识用户

• Web服务器根据Cookie从数据库中查询该用户的活动记录

无连接

通信双方在交换HTTP报文之前不需要先建立HTTP连接

• HTTP不考虑数据在传输过程中被丢弃后，怎么重传

C. HTTP报文

面向文本：报文段中每个字段都是ASCII串

请求方法

GET：读取由URL标识的信息

HEAD：读取由URL标识的信息首部

POST：向服务器添加信息

状态码

1XX：通知信息，表示请求受到了或正在处理

2XX：表示成功

3XX：表示重定向

4XX：客户端错误

5XX：服务器错误