04741计算机网络原理 第2章 网络应用

2.1 计算机网络应用体系结构

计算机网络应用从体系结构角度可以分为：

• 客户/服务器（C/S）结构：最典型、最基本的网络应用。案列：WWW应用、文件传输FTP、电子邮件等
• 纯P2P结构：所有通信都在对等的通行方之间直接进行。案列：Gnutella、 BitTorent
• 混合结构：存在客户与服务器之间的传统C/S结构通信，也存在客户之间的通信。 案列：IPTV

2.2 网络应用通信基本原理

网络应用的基本通信过程就是不同主机上的应用进程间以C/S方式进行通信。

在C/S结构的网络应用中，服务器端运行服务器进程，被动的等待客服请求服务；客户端运行客户端进程，主动发起通信，请求服务器进程提供服务。

典型的网络应用编程接口是套接字

TCP服务模型包括面向连接服务和可靠数据传输服务

• 面向连接服务：在应用层报文开始传送之前，TCP客户和服务器相互交换传输层控制信息，完成握手，在客户进程与服务器进程的套接字之间建立一条逻辑的TCP连接。这条连接是双全工的，即连接双方的进程可以在此连接上同时进行报文接发。当应用结束报文发送时，必须拆除该连接
• 可靠的数据传送服务：应用进程能够依靠TCP，实现端到端的无差错、按顺序交付所有发送数据的服务。当应用程序的一端将字节流通过本地套接字传送时，它能够依靠TCP将相同的字节流交付给套接字，而没有字节的丢失和冗余

2.3 域名系统

1. 层次化域名空间

实现将域名映射为ip地址的过程称为 域名解析

DNS为了实现域名解析，需要建立分布式数据库，存储网络中域名与IP地址的映射关系数据，这些数据库存储在域名服务器上，域名服务器根据用户的请求提供域名解析服务。

DNS为了实现域名的有效管理与高效查询，DNS服务按层次结构进行组织，并且该层次结构与域名的结构相对应。因特网采用了 层次树状结构的命名方法。

域名的结构由标号序列组成，各标号之间用点隔开

各标号分别代表不同级别的域名

• 国家顶级域名nTLD：如cn表示中国，us表示美国，uk表示英国等
• 通用顶级域名gTLD：如com表示公司和企业、net表示网络服务机构、org表示非盈利性组织、edu表示专用的教育机构、gov表示专用的政府部门、mil表示专用的军事部门、int表示国际组织
• 基础结构域名：这种顶级域名只有一个即arpa，用于反向域名解析，因此又称为反向域名

2. 域名服务器

DNS服务器的管辖范围不是以域为单位，而是以区位单位

域名服务器分类：

• 根域名服务器：最重要的域名服务器，因特网上共有13个不同ip地址的根域名服务器 a~m
• 顶级域名服务器：TLD服务器，负责管理在该顶级服务器注册的所有二级域名
• 权威域名服务器：负责一个区的域名服务器，保存该区中的所有主机的域名到IP地址的映射
• 中间域名服务器

3. 域名解析过程

域名解析方法：

• 递归解析：主机在进行域名查询时，本地域名服务器如果没有被查询域名的信息，则**「代理主机查询根域名服务器」**或其他服务器
• 迭代解析：本地域名服务器如果没有被查域名的信息，则代理主机查询根域名服务器，若仍未查到域名信息，则根域名不会代理主机继续查下去，而是将查询任务交给本地域名服务器

2.4 万维网应用

1. HTTP概述

Web应用主要包括 Web服务器、浏览器与超文本传输协议（HTTP）

Web应用是典型的客户/服务器网络应用（C/S），客户与服务器之间的交互基于应用层协议HTTP

Web页面是有对象组成。

每个URL地址主要由两部分组成：存放对象的服务器主机域名和对象的路径名

HTTP是Web应用的应用层协议，定义浏览器如何向Web服务器发送请求以及Web服务器如何向浏览器进行响应，HTTP使用的端口号是80。

2. HTTP连接

HTTP链接：HTTP基于传输层的TCP传输报文。浏览器向服务器发送请求之前，首先需要建立TCP连接，然后才能发送HTTP请求报文，并接收HTTP相应报文。根据HTTP在使用TCP连接的策略不同，可以分为 非持久连接的HTTP和持久连接的HTTP

• 非持久连接：是指HTTP客户与HTTP服务器建立TCP连接后，通过该连接发送HTTP请求报文，接收HTTP响应报文，然后断开连接 。HTTP/1.0默认使用非持久连接

典型的优化非持久连接技术：

• 并行连接：通过建立多条并行TCP连接，并行发送HTTP请求和冰箱接收HTTP响应
• 持久连接：重用已建立的TCP连接发送新的hTTP请求和接收HTTP响应，从而消除新建TCP连接的时间开销

持久连接的工作方式：

• 非流水方式持久连接：也称为非管道方式持久连接，客户端在通过持久连接接收到前一个响应报文后，才能发出对下一个对象的请求报文
• 流水方式持久连接：也称为管道方式持久连接，客户端在通过持久连接收到前一个对象的响应报文之前，连续依次发送后续对象的请求报文，然后再通过该连接依次接收服务器发回的响应报文，HTTP/1.1 默认使用流水方式持久连接

HTTP报文组成：起始行、首部行、空白行、实体主体

HTTP报文起始行和空白行不可缺少，首部行可以是零行或多行，实体主体则根据报文类型、功能等可有可无

HTTP报文分类：请求报文、响应报文

请求报文与响应报文最主要的区别是起始行不同，每部分之间由空格分隔，起始行最后是CRLF：

• 请求报文起始行为：<方法><协议版本>
• 响应报文起始行为：<协议版本><状态码><短语>

HTTP典型的请求方法：

• GET：请求读取由URL所标识的信息，是最常见的方法
• HEAD：请求读取由URL所标识的信息的首部，即无须在响应报文中包含对象
• POST：给服务器添加信息
• OPTION：请求一些选项的信息
• PUT：在指明的URL下存储一个文档

3. Cookie

Cookie技术主要包括4部分内容：

• HTTP响应报文中的Cookie头行：Set-Cookie
• 用户浏览器在本地存储、维护和管理的Cookie文件
• HTTP请求报文中的Cookie头行：Cookie
• 网站在后台数据库中存储、维护Cookie信息，包括已分配给用户ID、每个ID用户在本网站的访问特征

Cookie的常见用途：

• 网站可以利用Cookie的ID来准确统计网站的实际访问人数、新访问者和重复访问者的人数对比、访问者的访问频率等数据
• 网站可以利用Cookie限制某些特定用户的访问
• 网站可以存储用户访问过程中的操作习惯和偏好，对不同用户呈现不同的显示内容、颜色、布局等界面元素，又针对性地为用户提供服务，提升用户体验感
• 记录用户登录网站使用的用户名、密码等信息，当用户多次登录时，无须每次都从键盘输入这些繁琐的字符和数字
• 电子商务网站利用 Cookie 实现“购物车”功能

Cookie分类：

• 永久Cookie：Cookie 保存在硬盘中，有效周期可以设置，关闭浏览器不影响 Cookie 有效周期。
• 会话Cookie：Cookie 保存在内存中。Cookie 有效周期是浏览器会话期间，关闭浏览器，Cookie 消失

2.5 Internet电子邮件

1. 电子邮件系统

电子邮件系统主要包括：

• 邮件服务器：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，是电子邮件体系结构的核心。
• 简单邮件传输协议（SMTP)：是Internet电子邮件中的核心应用层协议，实现邮件服务器之间或用户代理到邮件服务器之间的邮件传输
• 用户代理：电子邮件应用客户端软件，为用户提供使用电子邮件的接口。功能是支持用户撰写、显示、处理和收发邮件，为用户阅读、回复、转发、保存和撰写邮件提供编辑与操作环境
• 邮件读取协议：是支持接收邮件的用户主动连接服务器，对其邮箱中的邮件进行操作或申请向本地传输的应用层协议

2. SMTP

SMTP是Internet电子邮件中的核心应用层协议，使用邮件服务器之间或用户代理到邮件服务器的邮件传输

SMTP通过3个阶段的应用层交互完成邮件的传输，分别是：握手阶段、邮件传输阶段、关闭阶段

SMTP作为电子邮件系统的核心应用层协议，具有如下特点：

• SMTP只能传送7位ASCII码文本内容
• SMTP传送的邮件内容中不能包含”CRLF.CRLF“
• SMTP是推动协议
• SMTP使用TCP连接是持久的

3.电子邮件格式与MIME

邮件内容的基本格式：

• 首部
• 空白行
• 主体

邮件中常见的首部行包括以下内容：

• To：后面填入一个活多个收件人的电子邮件地址。必填
• Suject：邮件的主题
• Cc：表示应给某某人发送一个邮件副本
• From：表示发信人的电子邮件地址
• Date：为发信日期
• Reply-To：是对方回信所用的地址。如果要求对方回复信件时使用不同于发信人邮件的地址，就需要填写该首部行

MIME主要包括三个部分：

• 5个MIME邮件首部字段，可包含在邮件首部中。
  • MIME-Version:标识MIME的版本
  • Content-Description：可读字符串，用于对邮件内容的概括性描述，以便收件人对邮件内容的初步判断
  • Content-Id：邮件的唯一标识符
  • Content-Transfer-Encoding：说明在传送时邮件主体是如何编码的。最简单的编码就是7位的ASCII码。quoted-printable 编码适用于当所传送的数据中只有少量的非 ASCII 码；对于任意的二进制文件采用 base64 编码。
  • Content-Type：说明邮件主体内容的类型和格式，中间用/分开
• 定义了多种邮件内容的格式，对多媒体电子邮件的表示方法进行了标准化
• 定义了邮件传送编码，可对任何内容格式进行转换，从而适合通过SMTP进行传送

4. 邮件读取协议

邮件读取协议：

• POP3：（第三版邮局协议）：使用传输层 TCP。协议交互过程分 3 阶段：授权、事务处理和更新
  • POP3协议使用传输层TCP
  • 默认端口：110
  • 协议交互过程：
    • 授权：用户代理需要向服务器发送用户名和口令（以明文形式），服务器鉴别用户身份，授权用户访问邮箱
      • 命令：user 和 pass
    • 事务处理：用户代理向服务器发送POP3命令，实现邮件读取、为邮件做删除标记、取消邮件删除标记以及获取邮件的统计信息等操作。
    • 更新：客户发出quit命令，结束POP3会话，服务器删除那些被标记为删除的邮件
  • POP3不支持用户创建远程文件夹并为邮件指派文件夹的功能，而IMAP可以
• IMAP：（互联网邮件访问协议）：维护了 IMAP 会话的用户状态信息，允许用户代理只读邮件的部分内容。
• HTTP：是 Web 邮件系统的邮件读取协议。注意：从浏览器发送 Web 电子邮件到邮件服务器过程中，也用 HTTP。

2.6 FTP

文件传送协议（FTP）是互联网的两个主机间实现文件互传的网络应用，其应用层协议称为FTP

FTP是典型的客服/服务器网络应用，采用C/S方式实现客户与服务器之间的双向文件传输

FTP的服务器进程由两大部分组成：

• 主进程：负责接受新的客户请求
• 若干从属进程：负责处理单个客户请求，与具体客户进行交互

FTP常见命令：

• USER username：用于向服务器传送用户标识
• PASS password：用户想服务器发送用户口令
• LIST：用于请求服务器回送当前远程目录中的所有文件列表
• RETR filename：用于从FTP服务器的当前目录下载文件
• STOR filename：用于想FTP服务器的当前目录上传文件

FTP 命令对应的服务器应答（3 位数字）

• 331 Usename OK，Password required

• 125 Data connection already open；transfer starting

• 425 Can’t open data connection

2.7 P2P应用

P2P 应用特点

• P2P 体系结构对服务器的依赖很小，对于纯 P2P 来说，整个应用几乎不依赖某个集中服务器。应用都是动态地在对等方之间进行。

• 具有很强的应用规模伸缩性。

• 应用的对等方是用户控制的桌面计算机。

• 应用充分聚集利用了端系统的计算能力以及网络传输宽带。

2.8 Socket编程基础

目前在Internet中应用最广泛的网络应用编程接口就是 Socket API

Socket类型：

• 数据报类型套接字SOCK_DGRAM：面向传输层UDP接口
• 流式套接字SOCK_STREAM：面向传输层TCP接口
• 原始套接字SOCK_RAM：面向网络层协议接口

典型的Socket API函数

• int socket() 创建套接字

• int close() 关闭套接字

• int bind() 绑定套接字的本地端点地址（一般用于服务器端）

• int listen() 监听状态（只用于服务器端，仅用于 TCP 服务器套接字）

• int connect() 将客户套接字与服务器连接（只用于客户端）

• int accept() 创建新的套接字来与客户套接字建立 TCP 连接（只用于服务器端）

• Ssize_t send() 发送数据

• Ssize_t sendto() 发送数据（只用于UDP）

• Ssize_t recv() 接收数据

• Ssize_t recvfrom() 接收数据（只用于 UDP）

• Int setsockopt() 设置套接字选项

• Int getsockopt() 读取套接字选项