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计算机网络 第3版 第7版应用层 本章导读 TCP IP的应用层协议是网络和用户之间的接口 即网络用户是通过不同的应用协议来使用网络的 应用层协议向用户提供各种实际的网络应用服务 使得上网者更方便地使用网络上的资源 本章主要介绍几个目前在因特网上使用最广泛的应用层协议 超文本传输协议HTTP 文件传输协议FTP 电子邮件协议SMTP和POP3 远程登录协议Telnet 域名系统DNS等 鉴于内容分布模式应用的增多 本章最后介绍3种常用的内容分布模式的应用 网络安全的协议将在第10章介绍 主要内容 7 1应用层基本概念7 2超文本传输协议HTTP7 3电子邮件协议7 4FTP协议7 5域名系统DNS7 6Telnet协议7 7Web内容分布 7 1应用层基本概念7 1 1客户 服务器模型服务器向客户提供服务 客户向服务器请求服务 要完成这种服务与被服务的功能 要求在服务器端和客户端分别执行一个不同的应用程序 1 客户 服务器的定义客户是在本地计算机上运行的向服务器请求服务的程序 服务器是在另一方运行的向客户提供服务的程序 7 1应用层基本概念7 1 1客户 服务器模型2 运行方式无论是客户还是服务器都可以运行在循环方式或并发方式 1 客户的运行方式循环 并发 2 服务器的运行方式 无连接循环 无连接并发 面向连接循环 和 面向连接并发 4种运行方式 一般情况 因特网中采用 无连接循环 或 面向连接并发 两种方式 7 1应用层基本概念7 1 2多个服务器面向多个客户在客户 服务器模型中 一个应用只有一台服务器 不论客户距离服务器多远 也只能访问该服务器 人们开发出对一个应用由多个服务器共同完成的方法 这就是内容分布 内容分布模式中 服务器与客户都是多个 可以是一个服务器面多个客户 也可以是多个服务器面向多个客户 甚至是多个服务器面向一个客户 关于内容分布问题将在本章的最后较详细介绍 7 1应用层基本概念7 1 3统一资源定位器因特网应用中 许多协议通过统一资源定位器URL来识别资源地址 用户在URL文本框中输入要访问资源的IP地址或域名 就可以链接到该资源所在的主机 规定的URL输入格式为 协议名 IP地址 或主机域名 端口号当访问服务器的端口号是熟知端口号时 可以省略 7 2超文本传输协议HTTP7 2 1万维网的起源和发展万维网WWW起源于1989年欧洲粒子物理研究室CERN 链接文档的万维网的最初计划是由CERN的物理学家TimBerners Lee 蒂姆 伯纳斯 李 于1989年3月提出的 万维网的含义是指通过HTTP协议链接起来的无数Web服务器中的网页资源 万维网是一种特殊的结构框架 它的目的是为了访问遍布在因特网上数以千计的机器上的链接文件 是目前因特网上使用最广泛的应用之一 7 2超文本传输协议HTTP7 2 2HTTP协议采用客户 服务器模式 1 客户端超文本的页面通过安装在客户计算机中的浏览器的程序来观察 微软的IE和Netscape的Navigator是目前两个最流行的浏览器 2 服务器端每个服务器站点都有一个服务监听TCP80端口 看是否有从客户端浏览器来的连接请求 在连接建立起来后 每当客户发出一个请求 服务器就发回一个应答 然后释放连接 HTTP协议的执行过程 7 2超文本传输协议HTTP7 2 3置标语言HTMLHTML具有以下特点 1 标记 是一系列标准化的标记的集合 2 超文本 可以描述各种媒体表达的文档 3 是网页设计者和Web浏览器之间的桥梁 1 HTML文档基本结构以开始 以结束 头标记段可省略 大部分标记都是成对表示 7 2超文本传输协议HTTP7 2 3置标语言HTML2 XML是由W3C于1998年2月发布的一种标准 它以一种开放的自我描述方式定义了数据结构 在描述数据内容的同时能突出对结构的描述 从而体现出数据之间的关系 包括一组基本规则 利用这些规则任何人都可创建针对自己应用领域的标记语言 XML的核心思想是将文档的内容 结构和表现形式独立并清晰地描述 是用来对信息进行自我描述的语言 7 3电子邮件协议是因特网上用户最广泛的应用之一 7 3 1电子邮件的发送和接收1 电子邮件地址格式为 用户名 ISP邮箱的主机域名 该用户名在该ISP的邮件服务器上必须是惟一的而ISP邮箱的主机域名必需在因特网上惟一 2 电子邮件的发送 7 3电子邮件协议7 3 2SMTP协议提供在相同和不同计算机上的用户之间的邮件交换 基于面向连接的传输层协议TCP之上的应用 服务器端使用熟知端口号25 因此 一个邮件的发送要经过建立连接 传送邮件和释放连接3个阶段 1 SMTP命令2 SMTP连接和发送过程3 邮件路由过程 用户 UA MTA之间的关系 SMTP通过用户代理程序UA和邮件传输代理程序MTA实现邮件的传输 UA完成邮件的编辑 收取 阅读等功能 MTA则负责将邮件传送到目的地 7 3电子邮件协议7 3 3POP3协议POP协议从邮件服务器自己的邮箱中取出邮件 1 POP3命令2 POP3收发邮件的过程3 POP3的连接过程服务器侦听TCP端口110开始服务 客户机与服务器主机建立TCP连接 连接建立后 POP3发送确认消息 服务器指派一个临时端口继续保持与客户的连接 释放它的110端口 7 3电子邮件协议7 3 4IMAP4协议斯坦福大学在1986年开发的一个功能更强的电子邮件协议 用户可通过浏览信件头决定是否要下载 删除或检索信件的特定部分 还可在服务器上创建或更改文件夹或邮箱 提供离线 在线和断开连接3种工作方式 7 3电子邮件协议7 3 5其他邮件协议1 HTTP协议用户可使用Web浏览器 通过Internet收发电子邮件 系统管理员也可使用Web浏览器实现对邮件服务器的远程管理操作 2 MIME协议是SMTP协议的扩展 在传输字符数据的同时 允许用户传送声音 图像和应用程序等文件类型 并将其压缩在MIME附件中 7 4FTP协议一种实时的联机服务 其功能是用来在两台计算机之间互相传送文件 采用客户机 服务器模式 在客户机和服务器之间使用TCP协议建立面向连接的可靠传输服务 FTP协议要用到两个TCP连接 控制连接 使用熟知端口21 用来在FTP客户端与服务器之间传递命令 数据连接 使用熟知端口20 用来从客户端向服务器上传文件 或从服务器下载文件到客户计算机 在整个交互的FTP会话中 控制连接始终是处于连接状态 数据连接则在每一次文件传送时先打开然后关闭 7 4FTP协议7 4 1FTP的连接控制连接与数据连接采用不同的策略和端口号 1 打开控制连接服务器在端口21被动打开 等待客户 客户使用短暂端口发出主动打开 7 4FTP协议7 4 1FTP的连接2 创建数据连接客户使用短暂端口发出被动打开 客户使用PORT命令将该端口号发送给服务器 服务器收到此端口号 使用端口20和收到的端口号发出主动连接 7 4FTP协议7 4 2通过数据连接的通信FTP通过数据连接来传送数据 进行FTP通信的客户与服务器 可以使用不同的操作系统 不同的字符集 不同的文件结构以及不同的文件格式 这种异构性问题是通过客户定义文件类型 数据结构和传输方式来解决的 7 4FTP协议7 4 2通过数据连接的通信1 文件类型3 传输方式ASCII文件 默认 流方式 默认 EBCDIC文件块方式图像文件压缩方式2 数据结构文件结构 默认 记录结构页面结构 7 4FTP协议7 4 3FTP客户类型两类 普通FTP服务和匿名FTP服务 1 普通FTP服务有严格的权限控制 用户必须向服务器注册用户名和口令 服务器对用户名和口令进行验证 拒绝非法用户的访问 2 匿名FTP服务提供服务的机构允许该类用户访问公共目录 可使用 anonymous 作为用户名 以 guest 为口令或以用户的邮箱地址作为口令 7 4FTP协议7 4 4基于Web的传输使用HTTP协议可通过基于网页的图形界面操作 非常简便地完成文件的上传和下载功能 直接将网上的图片 音乐 影视以及软件下载到自己的计算机中 如果涉及大量数据的传送还是建议使用专用的FTP应用软件 因为其不仅操作方便 传输效率高 而且有些FTP应用程序还有断点续传等非常有用的功能 7 4FTP协议7 4 5简单文件传送协议TFTP广泛应用于交换机 路由器等设备的初始化 1 TFTP与FTP的不同之处 1 客户与服务器之间使用UDP 2 仅支持文件传输 不支持交互 3 不能对用户进行身份鉴别 4 不允许用户列出目录的内容或者与服务器进行交互 判断可用的文件名称 7 4FTP协议7 4 5简单文件传送协议TFTP2 TFTP的优点 1 能使用在UDP环境 2 代码所占空间小 3 TFTP的熟知端口号是69 4 TFTP的安全性不提供安全性 仅限于非关键文件使用 5 TFTP的应用安全性问题要求不高时 由于TFTP传输的快捷 用于基本的文件传送是非常有用的 7 5域名系统DNS7 5 1DNS的概念从域名查找IP地址的过程就是域名解析 1 域名系统的名称解析DNS是指在因特网或任何一个TCP IP构架的网络中查询域名或IP地址的目录服务系统 DNS服务器接收到请求时可将1台主机的域名翻译为IP地址 称为 正向解析 或将IP地址转换成域名 也称 逆向解析 域名系统维护着一个数据库 它描述了域名与IP地址的对应关系 7 5域名系统DNS7 5 1DNS的概念2 DNS的结构树状层次型结构 整个DNS系统由多个域组成 每个域下又细分更多的域 每1个域最少由1台DNS服务器管辖 该服务器只存储其管辖域内的数据 同时向上层域的DNS服务器注册 7 5域名系统DNS7 5 1DNS的概念2 DNS的结构 1 根域 DNS结构的最高层 2 顶层域 分为按国家和按组织性质两种 3 第2层域 最重要的部分 只有第2层域名是可以自由申请的 但必须是惟一的 4 主机 最后1层 由各个域的管理员自行建立 不需要通过域名的管理机构 域名最多5层 最少2层 以3层或4层者占绝大多数 7 5域名系统DNS7 5 2DNS的查询过程分为两个部分 第1部分是在本机以及到本机指定的DNS服务器的查询 包括了客户端本身及客户端对服务器的查询 第2部分是到其他DNS服务器的查询 属于服务器和服务器之间的查询 1 客户端及客户端对服务器的查询 1 客户端的查询在本机的高速缓存内检查若无检查本机文件若无转到对服务器的查询 7 5域名系统DNS7 5 2DNS的查询过程1 客户端及客户端对服务器的查询 2 客户端对服务器的查询DNS服务器收到查询的请求后 首先检查该域名是否属于本服务器管辖区域 DNS服务器查找本机的高速缓存若无 执行服务器和服务器之间的查询 2 服务器和服务器之间的查询采用反复查询的方法 7 5域名系统DNS7 5 2DNS的查询过程3 完整的查询过程 7 5域名系统DNS7 5 3域名的注册注册国内域名可通过CNNIC 也可通过CNNIC域名注册申请授权代理来完成 1 域名注册申请国际域名可以通过CNNIC实现 也可以通过国际域名管理机构 InterNIC 或国际域名注册申请代理来进行 2 通用网址基于域名基础之上 专用于WWW浏览的访问技术 4种访问方式 中文网址 英文网址 拼音网址和数字网址 7 6Telnet协议仿真终端协议或远程登录协议 可实现使用户通过TCP连接注册到远地的另一个主机上 能将用户的键盘操作传到远地主机 同时也能将远地主机的输出返回到用户屏幕 可以将用户的计算机模拟成远程某台提供Telnet服务的主机的终端 通过因特网直接进入该主机 完成对该主机各种授权的操作 使用客户机 服务器模式 在本地系统运行Telnet的客户机进程 而在远地主机则运行Telnet的服务器进程 可以共享主机上的文件资源 也可以运行主机上的各种程序 实现对主机的远程管理 7 7Web内容分布20世界90年代后 内容分布产业迅猛发展 特别是在音频和视频内容的分布更加如此 7 7 1Web内容分布概述1 内容分布是指这样一种机制 1 内容被复制到因特网上的多台服务器 2 为请求的端系统提供一种手段以确定交付内容最快的服务器 2 内容分布的方案分成3类 Web缓存 内容分布网和对等文件共享 7 7Web内容分布7 7 1Web内容分布概述3 几个术语 1 内容提供商希望使他们的内容能为因特网上的用户所用的任何个人 组织或公司 2 起始服务器指对象起始放置并且在其中始终保留该对象拷贝的服务器 7 7Web内容分布7 7 2Web缓存1 Web缓存器 代理服务器 是能够代表起始服务器来满足HTTP请求的网络实体 有自己的磁盘存储空间 并在该空间保存最近请求过的对象的拷贝 1 用户浏览器的操作建立与Web缓存器之间连接 若缓存器中已有用户请求的对象 则响应 否则Web缓存器建立与起始服务器之间连接 请求该对象 起始服务器向Web缓存器发送该对象的响应 Web缓存器在本地存储一份拷贝 并向用户转发该对象 7 7Web内容分布7 7 2Web缓存1 Web缓存器 代理服务器 2 Web缓存器既是服务器又是客户机 3 Web缓存器大发展的原因可以减少对客户机的请求的响应时间 可以减少一个机构的内部网络与因特网连接链路上的通信量 能从整体上减低因特网上的Web业务流量 7 7Web内容分布7 7 2Web缓存2 协作缓存位于因特网上的不同位置的Web缓存器可以通过协作完善总体性能 通过综合使用HTTP和Internet缓存协议ICP 缓存器之间可以相互获取对象 ICP是一个应用层协议 允许一个缓存器能够加速地查询另一个缓存器 当一个缓存器不足以处理流量或不能提供足够的存储空间时 可以使用缓存器群集代替 7 7Web内容分布7 7 3内容分布网络CDN使用一种不同于Web缓存器的商务模式 支付费用的是内容提供商而不是因特网服务提供商ISP 1 CDN提供内容分布服务的方式在因特网上安装数以百计的CDN服务器 在其CDN服务器中复制他的用户内容 当用户请求内容时 该内容能够由用户交付内容的那个CDN服务器以最快的速度来提供 7 7Web内容分布7 7 3内容分布网络CDN2 内容提供商和C