《计算机网络基础》第7章教案

《计算机网络基础》课程教案课程名称：计算机网络基础课程号：课程学分：3参考学时：48课程性质：专业必修课适用专业：计算机应用技术等专业上课时间：授课教师：负责人：审核单位：年月日-1-一、课程基本信息课程名称计算机网络基础课程号课程性质专业必修课开课部门课程负责人课程团队授课学期学分/学时3/48授课语言汉语课程简介《计算机网络基础》是计算机类专业重要的专业基本理论课程，是计算机类专业的各门专业课程的先导课程。本课程在把握教学对象对理论知识“必要、适度、够用”的原则下系统介绍计算机网络技术与工程所涉及到各个方面的理论基础与技术基础知识;全面阐明计算机网络技术所涉及的各项基木概念和基木工作原理，为后续课程的知识学习和技能培养奠定理论基础。授课班级

二、课程授课教案第7章讲课主题应用层学时5学时教学目标·理解DNS的概念和域名结构·掌握域名解析的原理及过程·理解WWW服务的基本概念和工作过程·掌握文件传输服务的工作过程·掌握电子邮件服务的概念和工作过程教学重点、难点域名解析的原理及过程、电子邮件服务的概念和工作过程本章导读应用层包括各种满足用户需求的应用程序，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，使上网者能够更方便地使用网络上的资源。本章将介绍目前在因特网上使用较广泛的应用层协议：DNS、动态主机配置协议(DHCP)、HTTP、FTP、电子邮件(E-mail)服务等。教学设计授课提纲及重难点分析教学方法及课程思政设计教学时间7.1应用层的基本概念应用层是网络模型的最高层，为用户或应用程序提供网络连接的接口，负责处理所有的应用程序与网络间的交互和通信。应用层通过一系列协议为应用程序提供接口，同时承担着平台独立性、数据格式与编码标准化等任务。应用层的主要功能是实现“计算机之间的通信、协议规范与数据定义”。7.2域名系统服务在TCP/IP互联网中，可以使用IP地址来识别主机，但是对一般用户而言，IP地址太抽象了，用户更愿意利用易读、易记的字符串为主机命名。于是，域名系统(DomainNameSystem，DNS)应运而生。实质上，主机名是一种比IP地址更高级的地址形式，主机名的管理、主机名-IP地址映射等都是DNS要解决的重要问题。7.2.1DNS的域名结构互联网提供主机名的主要目的是让用户更方便地使用互联网。一种优秀的命名机制应能很好地解决以下3个问题：(1)全局唯一性。一个特定的主机名在整个互联网上是唯一的，它能在整个互联网中通用。不管用户在哪里，只要指定这个名字，就可以唯一地找到这台主机。(2)名字便于管理。优秀的命名机制应能方便地分配名字、确认名字以及回收名字。(3)高效地进行映射。用户级的名字不能为使用IP地址的协议软件所接受，而IP地址也不能为一般用户所理解，因此二者之间存在映射需求。优秀的命名机制可以使DNS高效地进行映射。7.2.2域名解析域名系统的提出为TCP/IP互联网用户提供了极大的方便。通常构成域名的各个部分(各级域名)都具有一定的含义，相对于主机的IP地址来说更容易记忆。但域名只是为用户提供了一种方便记忆的手段，主机之间不能直接使用域名进行通信，仍然要使用IP地址来完成数据的传输。当应用程序接收到用户输入的域名时，DNS必须提供一种机制，该机制负责将域名映射为对应的IP地址，然后利用该IP地址将数据送往目的主机。常用的域名服务器有以下3种类型。1.本地域名服务器(LocalNameServer)在因特网域名空间的任何一个子域都可以拥有一个本地域名服务器，本地域名服务器中通常只保存属于本子域的域名-IP地址对。一个子域中的主机一般都将本地域名服务器配置为默认域名服务器。当一个主机发出域名解析请求时，这个请求首先被送往默认的域名服务器。本地域名服务器通常距离用户比较近，一般不超过几个路由的距离。当所要解析的域名属于同一个本地子域时，本地域名服务器能够立即将解析到的IP地址返回给请求的主机，而不需要再去查询其他域名服务器。2.根域名服务器(RootNameServer)目前在因特网上有十几个根域名服务器。当一个本地域名服务器不能基于本地DNS数据库响应某个主机的解析请求查询时，它就以DNS客户的身份向某一根域名服务器查询。若根域名服务器有被查询主机的信息，就发送DNS应答报文给本地域名服务器，然后本地域名服务器再应答发出解析请求的主机。在根域名服务器中可能也没有需要查询的域名信息，但它一定知道保存被查询主机名字映射的授权域名服务器的IP地址。通常根域名服务器用来管理顶级域，并不直接对顶级域下面所属的域名进行转换，但它一定能够找到下面的所有二级域名的域名服务器，这样以此类推，一直向下解析，直到查询到所请求的域名。3.授权域名服务器(AuthoriativeNameServer)每一个主机都必须在授权域名服务器处登记，通常一个主机的授权域名服务器就是它所在子域的一个本地域名服务器。为了保证工作的可靠性，一个主机应该有至少两个授权域名服务器。许多域名服务器同时充当本地域名服务器和授权域名服务器。授权域名服务器能够将其管辖的主机名转换为该主机的IP地址。30min7.3DHCP服务在一个使用TCP/IP协议的网络中，每一台计算机至少有一个IP地址，才能与其他计算机连接通信。为了便于统一规划和管理网络中的IP地址，DHCP(DynamicHostConfigureProtocol，动态主机配置协议)应运而生。它不仅可以为客户机动态地配置IP地址，而且可以完成其他相关环境配置工作(如DefaultGateway、DNS、WINS等参数设置)，可以为某个IP地址预留固定的IP，可以与其他类型的服务器交换信息。DHCP可以使网络管理和维护的压力大为减轻。7.3.1DHCP服务的基本概念DHCP服务的基本概念如下：(1)作用域。作用域是一个网络中的所有可分配的IP地址的连续范围，主要用来定义网络中单一的物理子网的IP地址范围。作用域是服务器用来管理并分配IP地址给网络客户主要工具。(2)超级作用域。超级作用域是一组作用域的集合，用来实现同一个物理子网中包含多个逻辑子网的情况。在超级作用域中，只包含一个成员作用域或子作用域的列表。超级作用域并不用于设置具体的地址范围，子作用域的各种属性需要单独设置。(3)排除范围。排除范围是不用于分配的IP地址序列，用来保证在这个序列中的IP地址不会被DHCP服务器分配给客户机。(4)地址池。在用户定义了DHCP范围及排除范围后，剩余的地址构成一个地址池，地址池中的地址可以被动态地分配给网络中的客户机使用。(5)租约。租约是DHCP服务器为客户机分配IP地址时指定的时间长度，在这个时间范围内客户机可以使用所获得的IP地址。当客户机获得IP地址时，租约被激活。在租约到期前，客户机需要更新IP地址的租约；当租约过期或从服务器上删除时，则租约停止。(6)保留地址。用户可以利用保留地址创建一个永久的地址租约。保留地址保证子网中的指定硬件设备始终使用同一个IP地址。(7)选项类型。选项类型是DHCP服务器给DHCP工作站分配服务租约时分配的其他客户配置参数。经常使用的选项包括默认网关的IP地址、WINS服务器以及DNS服务器。一般在设置每个范围时这些选项都被激活。DHCP管理器允许设置应用于服务器上所有范围的默认选项。大多数选项都是通过RFC2132预先设定好的，但用户可以根据需要利用DHCP管理器定义及添加自定义选项类型。7.3.2DHCP服务的工作过程1.客户机的IP自动设置DHCP的客户机启动登录网络时如无法与DHCP服务器通信，将自动给自己配置一个IP地址和子网掩码，此方式称为IPauto_configuration。其通过使用DHCPClient服务完成IP及其他参数的配置，具体过程如下：(1)DHCP客户机试图与DHCP服务器建立联系以获取配置信息，若失败，则从B类地址段中挑选一个作为自己的IP，子网掩码为，然后利用ARP广播来确定该地址是否被使用；若成功，则继续尝试其他地址(最多10次)。若不是，则使用该地址(可以理解为临时地址)。(2)使用临时地址的DHCP客户机每隔5min尝试与DHCP服务器联系一次，一旦联络上，DHCP服务器能分配给它一个有效的IP地址，则DHCP客户机立即用有效地址替换临时地址。如果DHCP客户机已经从服务器上获得了一个租约，那么在其重新启动登录。网络时将进行以下操作：若租约依然有效，则DHCP客户机将联系更新事宜(好比与图书馆联系续借事宜)。若联系不上DHCP服务器，它就ping原租约中的网关，若成功，则表示自己还在原来网络中，继续使用原来的租约，租期过半时继续尝试与DHCP服务器联络；若失败，则认为自己被移到一个没有DHCP服务器的网络，于是采用上述方法使用临时地址。2.客户机如何获得配置信息DHCP客户机启动登录网络时通过以下步骤从DHCP服务器获得租约：(1)DHCP客户机在本地子网中先发送DHCPdiscover信息，此信息以广播的形式发送，因为客户机此时还不知道DHCP服务器的IP地址。(2)在DHCP服务器收到DHCP客户机广播的DHCPdiscover信息后，向DHCP客户机发送DHCPoffer信息，其中包括一个可租用的IP地址。(3)如果没有DHCP服务器对客户机的请求作出反应，可能发生以下两种情况：如果客户使用的是Windows2000及以上操作系统，则自动设置IP地址的功能处于激活状态，那么客户机自动给自己分配一个IP地址。如果使用其他操作系统或自动设置IP地址的功能被禁止，则客户机无法获得IP地址，初始化失败。但客户机在后台每隔5min发送4次DHCPdiscover信息，直到它收到DHCPoffer信息。一旦客户机收到DHCPoffer信息，就发送DHCPrequest信息到服务器，表示它将使用服务器所提供的IP地址。(5)DHCP服务器在收到DHCPrequest信息后，即发送DHCPACK确认信息以确定此租约成立，且此信息中还包含其他DHCP选项信息。(6)客户机收到确认信息后，利用其中的信息配置其TCP/IP属性，并加入网络中。45min7.4WWW服务WWW(WorldWideWeb)也称万维网。万维网是一个大规模、联机式的信息储藏所，英文简称为Web。万维网用链接的方法能非常方便地从因特网上的一个站点访问另一个站点(即“链接到另一个站点”)，从而主动地按需获取丰富的信息。7.4.1WWW服务的基本概念1.HTML和Web页面万维网是一个分布式的超媒体(Hypermedia)系统，是超文本(Hypertext)系统的扩充。超文本是万维网的基础。超媒体与超文本的区别是文档内容不同。超文本文档仅包含文本信息，而超媒体文档不仅包含文本信息，还包含其他表示方式的信息，如图形、图像、声音、动画，甚至活动视频图像。万维网客户程序与万维网服务器程序之间的交互遵守严格的协议，即超文本传输协议HTTP(HypertextTransferProtocol)。HTTP是一个应用层协议，它使用TCP连接进行可靠的传送。万维网使用超文本标记语言(HypertextMarkupLanguage，HTML)，使万维网页面的设计者可以很方便地从本页面的某处链接到因特网上任何一个万维网页面。2.URL的格式统一资源定位符(UniformResourceLocator，URL)是用来表示从因特网上得到的资源位置和访问这些资源的方法。URL给资源位置提供一种抽象的识别方法，并用这种方法给资源定位。只要能够对资源定位，系统就可以对资源进行各种操作，如存取、更新、替换和查找其属性。这里所说的“资源”是指在因特网上可以被访问的任何对象，包括文件目录、文件、文档、图像、声音以及与因特网相连的任何形式的数据等。URL的一般形式如下：<协议>://<主机>:<端口>/<路径>协议指现在最常用的协议，即HTTP、ftp。协议后面必须写上“://”，不能省略。主机指该主机在因特网上的域名或IP地址。端口和路径有时可省略。7.4.2WWW服务的工作过程HTTP协议定义了浏览器(即万维网客户进程)如何向万维网服务器请求万维网文档，以及服务器如何把文档传送给浏览器。它是万维网上能够可靠地交换文件(包括文本、声音、图像等各种多媒体文件)的重要基础。45min7.5文件传输服务文件传输协议(FileTransferProtocol，FTP)协议是Internet上文件传输的基础，通常所说的FTP就是基于该协议的一种服务。FTP允许Internet上的用户将一台计算机上的文件传输到另一台计算机上，几乎支持所有类型的文件传输，包括文本文件、二进制可执行文件、声音文件、图像文件、数据压缩文件等。FTP实际上是一套文件传输服务软件，以文件传输为界面，使用简单的get或put命令即可进行文件的下载或上传，如同在Internet上执行文件复制命令一样。尽管大多数FTP服务器主机都采用UNIX操作系统，但普通用户通过Windows也能方便地使用FTP。FTP最大的特点是用户可以使用Internet上众多的匿名FTP服务器。所谓匿名服务器，是指不需要专门的用户名和口令就可进入的系统。用户连接匿名FTP服务器时，登录成功后，用户便可从匿名服务器上传和下载文件。匿名服务器的标准目录为pub，用户通常可以访问该目录下所有子目录中的文件。考虑到安全问题，大多数匿名服务器不允许用户上传文件。7.5.1FTP的工作过程FTP是TCP/IP的一种具体应用，工作在OSI参考模型的第7层、TCP模型的第4层(即应用层)上。FTP客户端和服务器建立连接前要经过3次握手的过程，这样可以确保客户端与服务器之间的连接是可靠的，为数据的安全传输提供保证。FTP并不像HTTP那样只需要一个端口作为连接(如HTTP的默认端口是80)。FTP需要两个端口：一个端口号为21的端口作为控制连接端口，用于发送指令给服务器以及等待服务器响应；另一个端口号为20的端口作为数据传输端口，用于建立数据传输通道，这个通道主要有3个作用：(1)从客户机向服务器发送一个文件。(2)从服务器向客户机发送一个文件。(3)从服务器向客户机发送文件或目录列表。使用FTP时，要求用户在两台计算机上都具有自己的或者可用的账号。但为了支持文件的共享，有些FTP服务器提供了匿名FTP服务。用户在对应的主机上可以采用公共的账号“anonymous”，口令一般使用自己的电子邮件地址，以便匿名FTP服务器的管理人员知道谁在使用系统，并且可以方便地与用户取得联系。匿名FTP服务主要用于下载公共文件，如共享文件、软件升级文件、用户手册等。FTP服务的工作过程如图7-7所示。7.5.2FTP的连接模式FTP的连接模式有PORT(主动模式)和PASV(被动模式)两种。1.PORT模式PORT模式是FTP的客户端发送PROT命令到FTP服务器，FTP客户端首先要和FTP服务器的21端口连接，通过这个通道发送命令，客户端需要接收数据时在这个通道上发送包含了客户端用什么端口接收数据的PORT命令。在传送数据时，服务器通过自己的20端口发送数据，但是必须和客户端建立一个新的连接用于传送数据。2.PASV模式PASV模式是FTP的客户端发送PASV命令到FTP服务器，它在建立控制通道时和PORT模式类似，当客户端通过这个通道发送PASV命令时，FTP服务器打开一个随机端口并且通知客户端在这个端口上传送数据的请求，然后FTP服务器将通过这个端口进行数据传送，这时FTP服务器不再需要建立一个新的与客户端之间的连接。45min7.6电子邮件服务电子邮件(E-mail)是因特网上最为流行的应用之一。如同邮递员分发投递传统邮件一样，电子邮件的收发也是异步的，也就是说人们是在方便的时候发送和阅读邮件的，无须预先与别人协同。与传统邮件不同的是，电子邮件既迅速，又易于分发，而且成本低。另外，现代的电子邮件消息可以包含超链接、HTML格式文本、图像、声音，甚至视频数据，沟通更加多样化。7.6.1电子邮件服务的基本概念1.邮件服务器电子邮件服务器是处理邮件交换的软硬件设施的总称，包括电子邮件程序、电子邮箱等。它是为用户提供E-mail服务的电子邮件系统，人们通过访问服务器实现邮件的交换。电子邮件服务器又分为发送电子邮件服务器和接收电子邮件服务器两种。2.电子邮件地址与传统通信方式一样，电子邮件之间的通信也需要有双方的电子邮件地址。一般而言，电子邮件地址的格式为：用户名@域名。(1)用户名：即用户电子邮箱的账号，对同一个邮件接收服务器来说，用户在申请电子邮箱时只能使用未被占用的用户名。(2)@：读作“at”，用来连接用户名和邮件接收服务器的域名。(3)域名：用户电子邮箱所在的邮件接收服务器域名，用以标志其所在的位置。例如：abc@163.com就是一个合法的电子邮件地址。3.邮件传输协议常见的电子邮件传输协议有SMTP协议、MIME协议、POP3协议和IMAP协议等。这几种协议都是在TCP/IP协议的基础上定义的。1)SMTP协议SMTP(SimpleMailTransferProtocol，简单邮件传输协议)是一种提供可靠且高效的电子邮件传输协议，主要负责定义底层的邮件系统如何将电子邮件从一台计算机传送至另一台计算机。2)MIME协议MIME(MultipurposeInternetMailExtensions，多用途Internet邮件扩展)是一种编码标准，解决SMTP协议仅能传送ASCII码文本文件的限制。MIME协议定义了各种类型的数据，如声音、图像、表格等。通过对这些类型的数据进行编码，并将它们作为电子邮件的附件进行处理，就可以保证这些内容完整、正确地传输。3)POP3协议POP3(PostOfficeProtocolVersion3，邮局协议版本3)主要定义如何将电子邮件从电子邮箱传输到本地计算机。在通常情况下，将一台服务器设置成存放用户电子邮件的“邮局”后，用户即可采用POP3协议来访问服务器上的电子邮箱，接收自己的邮件。4