计算机网络第2章 互联网应用技术与应用层协议

第2章互联网应用技术与应用层协议 互联网应用技术的发展互联网应用系统的工作模型C S与P2P工作模式的异同基于C S工作模式的网络应用类型网络应用协议分析与应用 2 1互联网应用技术发展与工作模式2 2 1互联网应用技术发展的3个阶段 2 1 2互联网端系统与核心交换的基本概念1 互联网边缘部分和核心交换部分 2 1 2互联网端系统与核心交换的基本概念2 端系统的概念端系统 endsystem 网络边缘部分的用户设备 端系统运行FTP应用程序 E mail应用程序 Web应用程序 或P2P文件共享程序 即时通信程序等的计算机 未来网络应用中 端系统的主机类型将从计算机扩展到所有能够接入互联网的设备 如PDA 移动电话 数码相机 电视机 无线传感器网络的传感器结点 以及各种家用电器 2 1 2互联网端系统与核心交换的基本概念3 应用程序体系结构的概念 2 1 3应用进程间的相互作用模式进程通信中的客户 服务器模式 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式C S工作模式特点服务器程序在固定的IP地址和熟知的端口号上一直处于打开状态 随时准备接收客户端的服务请求 客户端程序可以根据用户需要 在访问服务器时打开 客户端之间不能够直接通信 客户请求数量比较多时 可由多个服务器组成的服务器集群构成虚拟服务器 服务器程序与服务器在应用层C S工作模式中 作为端系统的计算机可以分为客户端与服务器端 服务器程序与客户程序是协同工作的两个部分 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式采用C S模式原因 网络资源分布的不均匀性 网络中计算机系统的类型 硬件结构 功能都存在着很大的差异 从软件角度来看 大型应用软件都是安装专用服务器中 合法用户需要通过互联网访问服务器 使用网络资源 从信息资源角度来看 数据 文本 图像 音视频资源存放在服务器中 合法用户可以通过互联网访问这些信息资源 这样做对保证信息资源使用的合法性与安全性 以及保证数据的完整性与一致性 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式P2P模式特征网络结点之间采取对等方式 通过直接交换信息共享计算机资源和服务 应用于实时通信 协同工作 内容分发 分布式计算等领域 通信模式 网络中对等结点之间直接通信的能力 基本特征 互联网中由对等结点组成的一种动态的逻辑网络 实现技术 实现对等结点之间直接通信所需设计的协议 软件等 P2P网络并不是一个新的网络结构 而是一种新的网络应用模式纯P2P模式 P2P与C S的混合模式 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式P2P模式特征纯P2P模式所有结点地位是平等的 以对等方式直接通信 没有需要一直打开的专门服务器程序 P2P与C S的混合模式共享文件是在两个对等结点之间直接传输 但是提出共享请求的结点需要通过一个查询服务器找到当前打开的对等结点的地址 2 1 4应用层C S工作模式与P2P工作模式P2P与C S模式区别与联系传统互联网资源共享是以服务器为中心的C S工作模式 服务提供者与服务使用者之间的界限是清晰的 P2P网络淡化了服务提供者与服务使用者的界限 所有结点同时身兼服务提供者与服务使用者的双重身份 P2P进一步扩大网络资源共享范围和深度 提高网络资源利用率 使信息共享达到最大化 四 应用层C S工作模式与P2P工作模式P2P网络发展的背景网络操作系统设计思想的基础是网络用户资源共享模式 网络操作系统的发展过程经历了从对等到不对等的交替发展过程 为实现网络资源共享的P2P技术的发展奠定了基础 从事物发展 螺旋式上升 规律角度去认识P2P技术的发展从信息资源存储格局变化的角度去认识P2P技术的发展在不同技术发展阶段 人们对网络应用关注的重点也不同 2 1 5网络应用与应用层协议1 网络应用与应用层协议的基本概念网络应用 E mail FTP TELNET Web IM IPTV VoIP基于网络的金融应用系统 电子政务 电子商务 远程医疗 远程数据存储等 应用层协议 网络应用主要组成部分 规定应用程序进程之间通信所遵循的通信规则 包括 如何构造进程通信报文 报文应包括的字段 每个字段意义 交互过程等 2 1 5网络应用与应用层协议2 应用层协议的基本内容交换报文的类型 如请求报文与应答报文 各种报文格式与包含的字段类型对每个字段意义的描述 进程在什么时间 如何发送报文 以及如何响应 3 应用层协议的类型标准网络应用 E mail FTP TELNET Web等 专用应用层协议 很多P2P共享文件的应用层协议属于专用协议 2 1 6网络应用对传输层协议的选择根据网络应用的实际需求 决定选择传输协议 TCP UDP TCP协议提供的服务 功能完善 面向连接 可靠传输服务支持可靠的面向连接服务支持字节流传输服务支持全双工服务UDP协议提供的服务 简单 高效传输服务无连接 不可靠的传输无提供拥塞控制机制不提供最小延时保证 2 1 6网络应用对传输层协议的选择选择TCP协议时需要注意的问题 1 TCP协议的拥塞控制机制的设计思想是在网络出现拥塞之后 抑制客户或服务器的发送进程 减少发送的数据数量 以便缓解网络拥塞 2 通过研究TCP协议发现的特点发现 TCP协议不能保证最小的传输速率 也不能保证最小传输延时 3 TCP协议能保证数据字节按照流方式传送到目的进程 但是不能保证最小的传输速率和传输延时 应用层协议与传输层协议的关系 2 1 7网络应用对低层提供服务的要求传输层 为网路应用提供服务质量 QoS 传输可靠性 带宽 延时多媒体网络应用对端到端的服务质量要求 带宽 延时 抖动 误码率等 2 2Web服务与HTTP协议2 2 1Web服务的基本概念1 支持Web服务的关键技术超文本传输协议HTTPWeb服务应用层协议 超文本在浏览器与Web服务器之间的传输协议 超文本标记语言HTML文档中的特殊数据格式 一个文档可以链接到另一个文档 统一资源定位符URL标识Web中的资源 以便于用户查找 2 2 1Web服务的基本概念2 超文本与超媒体的基本概念在Web系统中 信息按超文本方式组织超媒体进一步扩展了超文本所链接的信息类型 2 2 1Web服务的基本概念3 Web的工作方式Web系统C S模式 2 2 1Web服务的基本概念4 主页概念用户访问Web网站看到的第一个页面 通过主页访问网站信息 主页基本元素 文本 text 最基本元素 就是通常所说的文字 图像 image Web浏览器通常识别GIF与JPEG图像格式 表格 table 类似Word表格 表格单元内容通常为字符类型 超链接 hyperlink 用于链接网页 2 2 2HTTP的工作机制1 URL与信息资源定位提供Internet上资源定位 访问方式的一种抽象表示方法 由3部分组成 协议类型 主机名 路径及地址 通过Web浏览器 URL不仅能漫游Web网 也能用于FTP E mail和TELNET等 URL格式 访问方式 服务器域名 端口号 路径 文件名访问Web网站要使用的HTTP协议 其形式为 http 服务器名 端口号 路径 文件名 2 2 2HTTP的工作机制1 URL与信息资源定位URL 冒号左边 指明了URL的访问方式 1 http 超文本传输协议 HTTP 2 ftp 文件传输协议 FTP 3 telnet 交互式会话 4 mailto 电子邮件地址 HTTP的默认端口号是80 可以省略 路径 文件名用于直接指向服务器中的某一个文件省略路径和文件名 则URL就指向了Internet上的某个主页 2 2 2HTTP的工作机制2 无状态协议的概念HTTP使用面向连接的TCP协议 客户端Web浏览器要与Web服务器之间建立一个TCP连接 TCP连接建立后 浏览器进程发送HTTP请求报文 并接收应答报文 Web服务器接收HTTP请求报文 并发送应答报文 TCP提供可靠服务保证客户进程发送的HTTP请求正确到达服务器端 服务器进程发送HTTP应答报文也正确达到客户端 Web服务器发送HTTP应答报文时 不保存浏览器的任何请求状态信息 属于无状态协议 2 2 2HTTP的工作机制HTTP协议两种状态 非持续连接 持续连接3 非持续连接 HTTP1 0 非持续连接每次请求 响应都要建立一次TCP连接 例如 一个网页包括一个HTML文件和105个GIF图像文件 106个对象 那么浏览器工作过程为 缺点 必须为每个请求对象建立和维护一个新的TCP连接 2 2 2HTTP的工作机制4 持续连接 HTTP1 1 持续连接时 服务器在发出响应后保持该TCP连接 相同的客户端进程与服务器端之间的后续报文都通过该连接传送 例如 一个网页包括一个HTML文件和8个JPEG图像文件 所有请求与应答报文都通过一个持续TCP连接来传送 工作方式 非流水线客户端只有在接收到前一个响应时才能发出新的请求流水线客户端在没有收到前一个响应时就发出新的请求 2 2 3HTTP报文格式1 HTTP请求报文结构 2 HTTP应答报文结构 2 HTTP应答报文结构 3 请求报文 应答报文的报头结构 4 请求报文 应答报文的交互过程 4 请求报文 应答报文的交互过程 2 2 4超文本标记语言HTML1 HTML的标记 2 2 4超文本标记语言HTM1 HTML的标记 2 Web文档类型Web文档3种类型 静态文档 动态文档 活动文档静态文档 2 Web文档类型动态文档 活动文档 2 2 5Web浏览器1 Web浏览器的基本功能 1 查找 启动与终止链接 2 查看内嵌图像与外部图像 3 历史与书签的使用 4 改变式样 字体与色彩 5 保存与打印主页 6 设置起始页 2 2 5Web浏览器2 Web浏览器的结构 2 3基于Web网络应用2 3 1电子商务应用1 电子商务基本概念通过互联网Web技术开展的各种商务活动划分三类 企业与企业 B2B 企业与消费者 B2C 消费者与消费者 C2C 2 3 1电子商务应用2 电子商务中的网络技术电子商务要实现三个目标 保密 完整 防止抵赖 网络安全技术 身份确认 数据加密 数字签名 第三方认证 2 3 1电子商务应用3 电子商务系统的结构系统包括 客户 电子商店 收单银行 发卡银行 物流公司 认证中心 2 3 1电子商务应用4 电子商务体系结构网络平台层硬件基础设施 包括 企业内网 企业外网 商业增值网 服务平台服务商信息发布层商务信息 企业介绍 产品介绍 市场动态 促销信息等交易信息 商品交易活动中的主要内容电子商务层网上商务活动服务功能 2 3 2电子政务应用1 电子政务的基本概念在互联网上发布政府信息 方便地了解政府信息 政府与公众之间的事务进行互动处理 使政府能够直接听到群众的呼声政府内部实现办公自动化 提高政府机构办公效率 公务员获得机构内外的工作业务信息 为政务工作和领导决策提供服务2 电子政务的作用和意义转变政府工作方式 提高政府工作效率提高政府领导机构科学决策的水平充分利用信息资源 降低管理和服务成本实施电子政务 促进政府机构改革 2 3 2电子政务应用3 电子政务的类型政府机关之间 G to G 政府对企业 G to B 政府对市民 G to C 2 3 3MOOC应用1 MOOC的基本概念MOOC MassiveOpenOnlineCourse 称为大规模在线开放课程 是一种新的课程模式 具有比较完整的课程结构 2 MOOC的起源与发展起源于加拿大 2008年加拿大阿萨巴萨卡大学的乔治 西门子和斯蒂芬 唐斯基于联通主义的学习理论模型 首次提出了MOOC 并创建了全球第一个cMOOC类型的课程 北京大学和清华大学等高校相继与美国MOOC平台签约 面向全球免费开放了15门在线课程 深圳大学更是牵头组建了全国地方高校优课联盟 首批有深圳大学 贵州大学 苏州大学 首都师范大学 云南大学等56所高校加盟 2 3 3MOOC应用3 MOOC的优势 1 MOOC上的课程建立知识模块化的课程体系 2 MOOC上的课程都配有在线测试 辅助教学效果 3 名校名课免费向全球开放 4 MOOC课程具有广泛的学生学习 从中产生了大量的学习数据 5 对于MOOC课程的学习感受以及心得 问题 学习者可以利用社交软件构建学习共同体 展开广泛交流和探讨 6 MOOC课程将同现有的教育课程体系有效和灵活的结合 2 3 4远程医疗应用1 远程医疗的基本概念全新的医疗服务模式 结合计算机 多媒体 互联网技术 医疗技术 提高诊断与医疗水平2 远程医疗技术研究的发展在互联网基础上 将信息技术与医疗技术全面结合 远程机器人在互联网支持下辅助外科完成 3 远程医疗技术的应用范围远程医疗诊断系统 远程医疗会诊系统 远程医疗教育系统 远程病床监护系统 2 3 5搜索引擎应用1 搜索引擎技术研究的背景互联网中的信息量呈爆炸性增长 全球Web页面数量已超过40亿 中国网页数量估计超过3亿不能快速提高搜索技术水平 大大降低网络资源利用率 资源浪费 成为 信息垃圾 搜索引擎分为两种 目录导航搜索引擎网页搜索引擎 2 3 5搜索引擎应用2 搜索引擎技术发展的过程1990年开发第一个Archie搜索软件1994年4月 斯坦福大学的DavidFilo和杨致远共同开发Yahoo搜索1997年10月 北京大学计算机系在CERNET上推出天网搜索1998年 BackRub项目组开发Google2000年 美国留学华人学者回国创业 创建 百度 搜索引擎 2 3 5搜索引擎应用3 搜索引擎的基本工作原理与结构 2 3 5搜索引擎应用4 搜索引擎的发展趋势两个发展方向 文本自动分类技术 在搜索引擎中对网页自动分类 形成高信息覆盖率 高查询准确性的搜索服务 下一代搜索引擎 深层搜索 深层搜索到与Web页链接的数据库的信息 下一代跨媒体的搜索引擎 通过统一的界面和单一的提问 就能获得以各种媒体形式存在的语义相似的结果 2 4电子邮件服务与邮件协议电子邮件服务的发展过程互联网上使用最广泛的一类服务传输各种格式文本信息 图像 声音 视频等多种信息1971年 公布第一个关于电子邮件的文档 RFC196 1982年 公布简单邮件传输协议 SMTP 标准 RFC821 822 1993年 提出通用互联网邮件扩充 MIME 标准 1996年 公布草案标准 邮件说明类型 文本 语音 图像 视频 2001年 公布SMTP新标准 RFC821 822 2 4 1 电子邮件服务的基本概念1 电子邮件服务电子邮件与社会中邮政系统有相似的结构与工作规程 邮件服务器是互联网邮件服务系统的核心负责接收网络送来的邮件 并根据收件人地址转发到接收方的邮件服务器中 负责接收由其他邮件服务器发来的邮件 并根据收件人地址分发到相应的电子邮箱中 2 4 1 电子邮件服务的基本概念2 电子邮箱的概念要使用电子邮件服务 首先要拥有一个电子邮箱 电子邮箱由提供电子邮件服务的机构 ISP 为用户建立 2 4 1 电子邮件服务的基本概念3 电子邮件服务的工作过程5个步骤 编写邮件 提交邮件 交付邮件 接收与处理邮件 读取邮件 2 4 2电子邮件系统基本功能主要功能包括 1 邮件发送者把邮件信息发送给接收者 接收者可以是一个或多个 2 可以发送多媒体信息 数据 文件 文字 声音 图像 图形 3 发送者或接收者可以是Internet以外的用户 4 电子邮件发送 接收软件可以与用户的其他软件集成 5 具有较强管理和监控功能 以利于系统维护 改善系统运行性能 6 方便用户使用 如支持多种语言文本 邮件优先权等 2 4 2电子邮件系统基本功能能协议组成 1 传输方式的协议简单邮件传输协议SMTP 通用Internet邮件扩展协议MIME 2 邮件存储访问协议邮政协议第3版POP 3Internet邮件访问协议第4版IMAP 4 3 目录访问方法的协议轻型目录访问协议LDAP 2 4 3电子邮件系统结构与工作原理1 电子邮件系统结构 2 4 3电子邮件系统结构与工作原理1 电子邮件系统结构用户接口UA 发送和接收邮件 撰写 显示 处理报文传送代理MTA 邮件发送给接收方 从网络接收邮件 CS方式传送 接收 报告邮件传送情况 工作原理 2 4 3电子邮件系统结构与工作原理2 邮件报文传输过程 2 4 4邮件报文交付的3个阶段 2 4 5SMTP协议的基本内容1 SMTP命令和应答 2 4 5SMTP协议的基本内容2 邮箱报文的封装 2 4 5SMTP协议的基本内容3 报文格式 1 所有报文都是由ASCII码组成 2 报文由报文行组成 各行之间用回车 换行符分隔 3 报文的长度不能超过998个字符 4 报文行的长度 78个字符之内 不包括回车换行符 5 报文中可包括多个首部字段和首部内容 6 报文可包括一个主体 主体必须用一个空行与其首部分隔 7 除非需要使用回车与换行符 否则报文中不使用回车与换行符 2 4 5SMTP协议的基本内容4 邮件报文传送过程 1 连接建立 2 4 5SMTP协议的基本内容4 邮件报文传送过程 2 报文传送 2 4 5SMTP协议的基本内容4 邮件报文传送过程 3 连接终止 2 4 6MIME协议的基本内容MIME是SMTP辅助协议 非邮件传输协议 不能替代SMTP协议 允许非7位ASCII码数据通过SMTP传输 2 4 7POP3 IMAP4协议 基于Web电子邮件1 POP3协议 邮件读取协议 2 4 7POP3 IMAP4 基于Web电子邮件2 IMAP4协议与POP3相似 功能更强下载邮件之前检查邮件头部 下载邮件之前可用特定字符串搜索电子邮件的内容 可以下载部分电子邮件 可以在邮件服务器上创建 删除 更名邮箱 存放电子邮件可以在文件夹中创建分层次的邮箱 2 4 7POP3 IMAP4 基于Web电子邮件3 基于Web的电子邮件20世纪90年代中期 Hotmail开发了基于Web的电子邮件系统 目前几乎所有门户网站都提供基于Web的电子邮件 使用Web浏览器收发邮件 基于Web电子邮件 用户代理就是Web浏览器 用户与远程邮箱之间的通信使用的是HTTP协议 而不是POP3或IMAP4协议 邮件服务器之间的通信仍然使用SMTP协议 2 5文件传输服务与FTP TFTP协议2 5 1文件传输的基本概念1 FTP文件服务FTP允许用户将文件从一台计算机保证可靠传输到另一台计算机 使用FTP服务 用户可以方便地访问网络文件资源 不需要对文件进行转换 服务效率高1971年4月 公布第一个FTP协议标准 RFC114 2 5 1文件传输的基本概念2 FTP服务的工作过程采用典型的C S模式 传输层选择TCP协议FTP服务器 提供FTP服务的计算机 下载 本地计算机用户 客户 将文件从FTP服务器传输到客户的过程 上传 客户端将文件从本地计算机传输到FTP服务器的过程 2 5 1文件传输的基本概念3 匿名FTP服务在FTP服务器上建立一个公开账户 通常为Anonymous 并赋予该账户访问公共目录的权限 以便提供免费的服务 要访问匿名服务FTP 不需要输入用户名与用户密码 也可以用 Anonymous 作为用户名 用 Guest 作为密码 匿名FTP服务只允许用户下载文件 不允许用户上传文件 2 5 1文件传输的基本概念4 TFTP协议 简化FTP版本 1981年公布TFTP协议标准FTP TFTP协议比较 对传输可靠性的要求 FTP面向连接 可靠 TFTP简洁 采用UDP 协议的命令集 FTP制定发送 接收文件 列出目录与删除文件等复杂命令 TFTP协议只定义文件发送 接收基本命令 数据表示方式 FTP指定数据类型 TFTP协议只允许传输ASCII码或二进制文本文件 用户鉴别 FTP有登录用户鉴别功能 TFTP不提供用户鉴别功能 2 5 2FTP协议特点 1 交互式用户界面利用FTP命令方便与服务器对话 2 对文件格式说明允许指定数据类型和格式 文本方式 二进制方式 3 权限控制文件传输之前 向服务器提供登录用户名和口令 2 5 3FTP协议工作原理1 控制连接 数据连接 2 5 3FTP协议工作原理2 FTP会话过程FTP会话之前 FTP客户端使用临时端口号 如5100 与服务器端熟知端口号 21 之间连接一个控制连接 控制连接建立之后 服务器端要求客户端发送用户名和口令 服务器端接收到客户端文件传输命令后 开始发起与客户端的数据连接 客户端使用临时端口号 如5000 与服务器端熟知端口号20之间建立数据连接 文件下载 或上传 数据连接上文件传输结束 关闭数据连接 2 5 3FTP协议工作原理3 FTP客户程序常用FTP客户程序类型 传统命令行在MS DOS控制台命令行状态下 执行FTP命令行Web浏览器 ftp 192 168 153 150 浏览器用于Web访问外 还支持FTP方式登录FTP服务器 下载文件FTP下载工具FlashFXP LeechFTP CuteFTP等 2 5 4FTP交互命令 协议执行执行过程1 命令FTP控制命令 USER 向服务器发送用户名 PASS 向服务器发送用户口令 LIST 向服务器请求发送当前目录的文件列表 RETR filename 从服务器端检索当前目录指定的文件 STOR filename 将客户主机的一个文件存储到FTP服务器中 2 5 4FTP交互命令 协议执行过程2 响应每个FTP命令 服务器至少有一个应答 主要有 125 数据连接正确 准备传输文件 150 数据连接即将打开 220 服务就绪 221 服务关闭 226 数据连接关闭 230 用户注册完成 331 用户名正确 需要传输用户口令 2 5 4FTP交互命令 协议执行3 FTP协议执行过程 2 6域名系统与DNS服务2 6 1DNS服务的概念1 DNS的作用主机域名转换成IP地址能够方便访问各种网络资源和服务实现互联网应用层协议的基础 2 6 1DNS服务的概念2 DNS系统的功能名字空间定义 系统提供所有可能出现的结点命名的名字空间 名字注册 为主机分配在全网具有唯一性的名字 名字解析 提供有效的主机名与网络IP地址转换机制 2 6 2域名结构主机名字要求全局唯一 能在整个互联网通用 便于管理 名字分配 确认 回收 便于映射 域名与IP地址之间映射 关键问题映射效率 2 6 3DNS服务的实现1 域名空间与资源记录按照树形名字空间结构 域名相关数据技术规范建立域名空间树上每个结点和叶子用一组信息命名域名查询就是从某个域的域名集合中抽取某类特殊信息的过程2 域名服务器保存域名树结构和对应信息的服务器程序拥有对部分域名空间树完整信息的解析 授权服务器 授权服务器所管理的是 区域 zone 域名信息3 地址解析程序从域名服务器中检索客户请求查询的域名所对应的IP地址 2 6 3DNS服务的实现4 三者关系1 通过对本地地址解析程序系统调用 对域名系统进行访问 2 从地址解析角度看 域名系统是由数量未知的域名服务器构成的系统 每个域名服务器存储整个域名空间树数据的一部分 3 从域名服务角度看 域名系统由相互独立 称为 区域 的本地数据集构成的 DNS系统3个基本构件 域名数据库 服务 用户 2 6 4域名解析的基本原理1 域名解析的基本概念域名解析器 将域名转换为对应的IP地址的过程 控制面板 TCP IP 属性2 域名解析算法递归解析反复解析 2 6 4域名解析的基本原理迭代解析 2 6 4域名解析的基本原理递归解析 2 6 5域名系统的高速缓存1 复制每个根目录被复制 该服务器副本存放在整个网络上 当一个新的网络加入互联网时 在本地的DNS服务器中配置一个根服务器表 2 缓存使用高速缓存优化查询开销 每个服务器都保留了一个域名缓存 查询一个新的域名时 服务器将该绑定的一个副本置于它的缓存中 2 7远程登录服务与TELNET协议2 7 1TELNET协议产生的背景始于20世纪60年代后期 使用大型计算机时 必须首先直接连接到主机的一个终端 使用用户名和密码登录成为合法用户之后 才能将软件与数据输入到主机 完成科学计算的任务 引入网络虚拟终端 NVT 提供一种专门的键盘定义 用来屏蔽不同计算机系统在键盘输入上的差异性 1971年 公布TELNET协议 RFC97 2 7 2TELNET协议工作原理典型的客户 服务器模式用户终端数据格式转换成标准的NVT格式 传输到TELNET服务器端 服务器将接收到的NVT格式数据转换成主机内部数据格式 传输给主机 2 7 3Windows下使用Telnet如何使用远程登录 两个条件 用户的计算机要有TELNET应用软件 如 Windows的TELNET客户端程序 用户在远程计算机上有自己的