第8章 计算机网络应用

第8章计算机网络应用计算机网络技术计算机网络的基本功能是资源共享。随着通信技术的发展和多媒体技术的广泛应用，Internet的功能越来越强大，其用途也更加多样化，常用的功能有电子邮件的收发、文件的下载和上传、万维网的信息浏览等。Internet提供的这些功能给我们的日常生活带来了极大的便利，那么它们的实现原理是什么呢？引子【知识目标】

1.学习常见的Internet接入方式。

2.学习DNS、WWW、FTP和电子邮件等常用应用层服务的基本原理。

3.学习P2P技术的网络拓扑结构及应用。【技能目标】1.能够配置DNS的服务器和客户端。2.能够搭建WWW服务器和FTP服务器。【素养目标】1.培养探究科学规律的精神。2.培养自主学习和动手实践的能力。学习目标8.1网络应用概述8.1.1网络应用与应用层协议网络应用需要通过相应的应用层协议来支持。例如，HTTP，FTP，SMTP和Telnet等等。这些应用层协议的主要职责是把文件从一台主机传送到另一台主机，协议的主要内容是定义：（1）消息的内容，例如请求消息和响应消息。（2）各种消息类型的语法结构，也就是消息中的域(field)以及如何描述消息中的域。（3）域的语义，也就是域所包含的信息的含义（4）确定通信程序何时发送消息和接收消息的规则。8.1.2Internet应用简介1.DNS2．WWW服务3．电子邮件服务4．FTP服务5．Telnet协议6.即时通信7．流媒体

8.2常见的Internet接入方式8.2.1拨号接入方式由于接入费用低廉，拨号接入方式曾经是使用最普遍的一种接入方式，现在仍然在商场的POS系统和线路备份方面使用。

PSTN接入结构图8.2.2光纤接入网光纤接入能够确保向用户提供10mbit/s，100mbit/s，1000mbit/s的高速带宽，可直接汇接到CHINANET等骨干结点。主要适用于商业集团用户和智能化小区局域网的高速接入。目前可向用户提供三种具体接入方式。

（1）光纤+以太网接入（2）光纤+HOMPEPNA

（3）光纤+VDSL光纤接入网（OAN）从系统分配上分为有源光网络（AON，ActiveOpticalNetwork）和无源光网络（PON，PassiveOpticaOpticalNetwork）两类。有源光网络又可分为基于SDH的AON和基于PDH的AON，无源光网络可分为窄带PON和宽带PON。由于光纤接入网使用的传输媒介是光纤，因此根据光纤深入用户群的程度，可将光纤接入网分为：（1）FTTC（光纤到路边）；（2）FTTZ（光纤到小区）；（3）FTTB（光纤到大楼）；（3）FTTO（光纤到办公室）；（4）FTTH（光纤到户）8.2.3无线宽带接入技术总体来讲无线宽带接入技术主要有两个技术体系：一个是移动蜂窝宽带接入技术，以3G、HSDPA、HSUPA、LTE、AIE、4G等为代表；另一个是宽带无线接入技术，以MMDS、WiFi、WiBro、WiMAX、MCWill等技术为代表。（1）移动蜂窝宽带接入技术移动数据业务基本是一个专网，下载速率在100kbit/s以下。智能手机可以接入互联网，但是性能不理想，暂时没有形成主流应用。主要原因在于3G系统在支持IP数据业务时频谱效率低，根本原因是3G系统面向连接固定带宽的结构不适应突发式IP数据业务的需求。（2）宽带无线接入技术宽带无线接入（BroadbandWirelessACCess，BWA）技术目前还没有通用的定义，一般是指把高效率的无线技术应用于宽带接入网络中，以无线方式向用户提供宽带接入的技术。

8.3DNS服务8.3.1DNS结构为了便于计算机处理，IP地址以二进制表示，虽然可以用点分十进制表示IP地址，但是这种地址对人来说并不适合记忆，为此需要引入一种适合人类记忆和使用的通用地址，这就是域名。域名和IP地址一样，也应该是Internet上的唯一标识，它由用“.”隔开的段组成，每段都有一定的含义，这样用户就可以很方便地记忆和理解域名。比如，www指这个域名是www服务器，edu是教育网的名字，cn指中国，所以这个域名指的是中国教育科研网。8.3.1DNS结构Internet域名结构8.3.1DNS结构Internet顶级域名顶级域名分配对象顶级域名分配对象cn中国us美国uk英国com商业组织net网络支持中心org非盈利性组织int国际组织edu美国教育机构gov美国政府部门mil美国军事部门8.3.2域名服务器DNS域名服务器从层次结构上分为根域名服务器、顶级域名服务器、权限域名服务器和本地域名服务器。（1）根域名服务器：在因特网上共有13个不同IP地址的根域名服务器。（2）顶级域名服务器：负责cn、com、gov和edu等顶级域名的管理。（3）授权域名服务器：当有新的网络系统建立时，主机域名必须在授权域名服务器处登记注册。（4）本地域名服务器：一个单位、企业和组织的网络都可以配置本地域名服务器。8.3.3域名解析过程DNS解析器会根据用户提供的目标计算机的域名，从右至左依次查询相关的DNS域名服务器。整个查询分为两类：递归查询和迭代查询。（1）递归查询：主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询，如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询的域名的IP地址，那么本地域名服务器就以DNS客户机的身份，向根域名服务器继续发出查询请求，替主机继续查询，直至找到答案或返回错误信息。（2）迭代查询：一般DNS服务器之间的查询请求属于迭代查询，当根域名服务器收到本地域名服务器发出的查询请求时，要么给出所要查询的IP地址，要么告诉本地服务器下一步应当向哪一个域名服务器进行查询。然后让本地服务器进行后续的查询。8.3.3域名解析过程域名解析过程

8.4WWW服务8.4.1WWW的工作模式WWW采用客户机/服务器架构。在客户端，用户可以通过一个被称为浏览器（browser）的交互式程序来查找信息。在WWW服务器端，则是一个支持交互式访问的分布式超媒体系统。当客户端的WWW浏览器在其地址栏里输入一个URL或单击Web页上的一个超链接时，Web浏览器就要检查相应的协议以决定是否需要重新打开一个应用程序，同时对域名进行解析以获得相应的IP地址。然后，以该IP地址并根据相应的应用层协议所对应的TCP端口与服务器建立通信连接，在服务器端，HTTP的默认TCP端口为80。8.4.2与WWW服务相关的术语1．超链接超链接是Web页上的一个对象，其可以是字、短语或图标，单击该对象可以引导用户到达一个新的Web页。2．URLURL（UniformResourceLocator，统一资源定位符）用于在因特网上进行资源的定位。3．HTTP和HTTPSHTTP协议（HyperTextTransferProtocol，超文本传输协议）是因特网上应用最为广泛的一种网络传输协议，所有的WWW文件都必须遵守这个标准。HTTPS协议是由SSL+HTTP协议构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议。

8.5FTP服务8.5.1FTP协议介绍FTP是Internet上广泛使用的文件传送协议，用于在远端服务器和本地主机之间传输文件，并且能保证传输的可靠性。FTP能够提供交互式的文件访问，支持对登录服务器的用户名和口令进行验证，允许客户指明文件的类型，可以设置文件的存取权限（文件的上传和下载）等。FTP采用客户-服务器模式，使用TCP提供可靠的传输服务。一个FTP服务器进程可以同时为多个客户进程提供服务，FTP服务器进程由一个守护进程和多个从属进程组成，守护进程负责接受新的请求，从属进程负责处理单个请求。8.5.1FTP协议介绍通过FTP进行文件传输时，需要在客户端和服务器之间建立两个TCP连接：TCP控制连接和TCP数据连接。FTP控制连接主要用来传输客户端和服务器之间的FTP命令以及命令的响应，控制连接在整个会话期间一直保持打开。FTP数据连接用来传输文件数据。服务器的控制进程在接收到FTP客户端发送来的文件传输请求后，就创建数据连接，在传送完毕后关闭数据连接并结束运行。FTP工作的基本原理8.5.2FTP的文件传输模式FTP的文件传输模式主要有两种：ASCII传输模式和二进制数据传输模式。ASCII传输模式是默认的文件传输模式，主要特点是：（1）本地文件转换成标准的ASCII再传输；（2）适用于传输文本文件。二进制数据传输模式也称为图像文件传输模式，主要特点是：（1）文件按照比特流的方式进行传输；（2）适用于传送程序文件。8.5.3FTP的数据传输模式在FTP的数据连接过程中有两种数据传输模式：主动模式（ActiveMode也称PORT模式）和被动模式（PassiveMode也称PASV模式）。1.主动模式首先由客户端发起FTP请求，与FTP服务器建立TCP控制连接。当需要传输文件时，客户端通过控制连接向FTP服务器发送PROT命令，PROT命令携带的参数包含客户端的IP地址和用于传输数据的临时端口号。FTP服务器主动发起TCP数据连接请求，经过三次握手，使用TCP端口20与客户端提供的临时端口建立数据传输通道，完成数据传输。当客户端在防火墙内部访问防火墙之外的FTP服务器时，主动模式可能会遇到问题，因为防火墙并不知道客户端提供的临时端口。安全起见，防火墙会阻止外部主机对内部随机端口的访问。8.5.3FTP的数据传输模式2.被动模式首先也是建立控制连接，其方式和主动模式一样。当需要传输文件时，客户端通过控制连接向FTP服务器发送PASV命令，告诉FTP服务器进入被动模式，FTP服务器通过控制连接进行应答，应答报文包含FTP服务器的IP地址和一个临时端口信息。客户端随机选择一个临时端口作为源端口，主动向FTP服务器发起TCP数据连接请求，经过三次握手，建立数据连接。在被动模式下，控制连接和数据连接都由客户端发起，不存在主动模式下防火墙阻止外部发起的连接的问题。

8.6电子邮件服务8.6.1电子邮件的概念邮件服务器的功能是发送和接收邮件，同时还要向发信人报告邮件传送的情况（已交付、被拒绝、丢失等）。邮件服务器按照客户/服务器方式工作。邮件服务器需要使用两个不同的协议。SMTP协议用于发送邮件。邮局协议POP用于接收邮件。8.6.2电子邮件的发送和接收过程电子邮件的传输过程8.6.3SMTP简单邮件传输协议（SimpleMailTransferProtocol，SMTP）SMTP是一种提供可靠且有效电子邮件传输的协议。主要用于传输系统之间的邮件信息并提供来信有关的通知。SMTP协议运行在TCP协议之上，使用公开端口号25;SMTP使用简单的命令传输邮件;SMTP使用客户/服务器工作模式，发送邮件的SMTP进程是SMTP客户，接收邮件的SMTP进程是SMTP服务器。8.6.4POP3和IMAP当用户要从邮件服务器中读取邮件时，可以使用POP3（PostOfficeProtocol3，邮局协议）或IMAP（InternetMessageAccessProtocol，因特网邮件访问协议），它取决于邮件服务器支持的协议类型。1．POP3邮局读取协议POP3是一个简单的邮件读取协议，POP3运行在TCP之上，端口号是110，使用客户-服务器模式。接收邮件的用户主机运行POP3客户程序，使用TCP连接到POP3服务器，再进行用户认证、邮件列表查询、邮件下载等操作，操作完成之后，客户端与服务器再断开TCP连接。8.6.4POP3和IMAP2．IMAPIMAP与POP3都采用客户-服务器模式工作，但它们有很大的差别。对于POP3，POP3服务器是具有存储转发功能的中间服务器。在邮件交付给用户之后，POP3服务器就不再保存这些邮件。当用户计算机上的IMAP客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户就可以看到邮件的首部。如果用户需要打开某个邮件，则可以将该邮件传送到用户的计算机上。在用户未发出删除邮件的命令前，IMAP服务器邮箱中的邮件会一直保存。

8.7P2P技术及应用8.7.1P2P技术介绍P2P（Peer-to-Peer，对等网络），是运行在Internet之上的分布式网络，是面向业务的网络。在P2P中，所有计算机都处于对等地位，每台计算机既能充当客户端，又能作为服务器向其他计算机提供资源与服务，每个节点既是资源的生产者，也是资源的消费者。在P2P中每个节点所拥有的权利和义务都是对等的。P2P是一种分布式的动态网络，节点可以动态地加入或退出网络，整个网络的拓扑结构始终处于动态变化之中。根据拓扑结构的关系可将P2P分为4种形式：集中式P2P、全分布式结构化P2P、全分布式非结构化P2P和混合式P2P。8.7.1P2P技术介绍1.集中式P2P集中式P2P由一个目录服务器和若干个对等节点组成，目录服务器用来管理和组织对等节点信息，包括用户上传的文件索引和存放位置的信息，以及拥有此文件节点自身的信息。当用户需要某个文件时，首先连接目录服务器，目录服务器随后进行检索并返回该文件的用户信息。最后由请求者连接文件所有者的节点主机，与此节点主机建立连接传输文件，典型的应用是Napster。集中式P2P的优点是维护简单、资源发现效率高，但是目录服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低。8.7.1P2P技术介绍2.全分布式结构化P2P全分布式结构化P2P采用分布式哈希表（DistributedHashTable，DHT）技术来组织网络中的节点。DHT将关键值（Key）的集合分散到P2P的节点上，网络中的节点共同形成并维护一个巨大的哈希表，每个节点被分配一个属于自己的哈希块，并管理该哈希块，典型的应用有Pastry、Tapestry、Chord和CAN等。DHT结构有着良好的扩展性、健壮性和自组织能力。由于采用了确定性拓扑结构，因此这种P2P能支持精确关键词匹配查询，但是维护机制较复杂，不能支持内容和语义等复杂查询。8.7.1P2P技术介绍3.全分布式非结构化P2P全分布式非结构化P2P采用完全随机图的组织方式，节点度数服从幂次法则，典型的应用是Gnutella。全分布式非结构化P2P的扩展性和容错性较好，支持复杂查询，但是它采用应用层的广播协议，消息量过大，网络负担过重。4.混合式P2P混合式P2P也称为半分布