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领略计算机网络世界6：应用层

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导读：本篇文章讲解 领略计算机网络世界6：应用层，希望对大家有帮助，欢迎收藏，转发！站点地址：www.bmabk.com

文章目录

1. 网络应用模型

1.1 应用层概述

* 应用层
	1. 主要作用
		* 应用层为应用程序的通信提供服务。

	2. 应用层协议定义
		1. 应用进程交换的报文类型，请求还是响应？
		2. 各种报文类型的语法，如报文中各个字段及其详细描述
		3. 字段的语义，即包含在字段终端信息的含义。
		4. 进程何时、如何发送报文，以及针对报文进行响应的规则

	3. 通过应用层协议定义得到应用层的功能：
		1. 文件传输、访问和管理     FTP = TCP + 53
		2. 电子邮件							 SMTP、POP3
		3. 虚拟终端                           http
		4. 查询服务和远程作用登录   DNS

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1.2 网络应用模型

* 网络应用模型分类
	1. 客户/服务器模型 Client/Server
	2. P2P模型 Point to Point

1.2.1 客户/服务器模型 Client/Server

1. 服务器：提供计算服务的设备
	* 特点
		1. 永久性提供服务。24小时不间断
		2. 永久性访问地址/域名
2. 客户机：请求计算服务的设备，需要提前知道服务器的地址
	* 特点
		1. 与服务器通信，使用服务器提供的服务
		2. 间歇性接入网络
		3. 可能使用动态IP地址
		4. 不与其他客户机直接通信

1.2.2 P2P模型 Peer to Peer

不难看出，在C/S模型中，服务器的好坏决定了整个系统的性能，当大量用户请求服务时，服务器就必然成为系统的瓶颈。P2P的思想是整个网络中的传输内容不再被保存到中心服务器上，每个结点同时具有下载、上传的功能，其权力与义务都是大体对等的。

* P2P模型：对等模型
	* 特点：记住一点，每一台主机既做主机又做服务器。
		1. 不存在永远在线的服务器
		2. 每个主机既可以**提供服务**，也可以**请求服务**
		3. 任意端系统间可以直接通信
		4. 节点间歇性接入网络
		5. 节点可以动态改变IP
		6. 可扩展性好。一个节点坏掉，影响不大。

	* 优点：
		1. 减轻了服务器的计算压力
		2. 多个计算机间相互直接共享文件。
		3. 可扩展性好
		4. 网络健壮性强

2. 域名解析系统 DNS

通过前面的学习，我们知道网络中的两台主机的逻辑通信是通过IP实现的，但是平时，我们访问百度网站的时候并没有输入百度服务器的IP，而是输入域名www.baidu.com, 那这是怎么回事？
事实上，这是使用了DNS服务器，DNS服务器里面存放着key-value键值对，key为www.baidu.com, value为百度服务器IP。在发送www.baidu.com请求时，请求先发送给DNS服务器，DNS服务器会返回百度服务器的IP，接着主机会把数据发向这个IP。其过程描述图如下：
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那么为什么要使用DNS服务器？主要是因为IP不便于人们记忆。

注意：

  1. 一台服务器可以没有域名，可以靠IP直接访问。
  2. 不同时间，同一域名，可能解析出不同的IP地址。
  3. 多个域名可以指向同一个IP。

2.1 域名

因特网采用层次树状的命名方法，最右边是树根，域名(domain)的各个子域间用.隔开。
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自下而上书写域名。

2.2 域名服务器/系统(DNS)

DNS是一个基于C/S模式的分布式数据库系统。
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2.3 域名解析过程

分为两种：递归查询和迭代查询。递归查询用的少。
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本地域名服务器的高速缓存会记录所查询的域名映射，这样减少对DNS的压力，并提高用户体验。

pc一般在开机后会加载本地服务器种的域名高速缓存内容。

注意：

  1. 主机上请求域名服务器的软件只需要知道本地域名服务器的IP，其他域名服务器不需要知道，交给本地域名服务器去完成。
  2. 无论域名服务器采用是递归查询还是迭代查询，最终都是由本地服务器将结果返回给用户。
  3. 递归查询：主机请求一次，本地域名服务器请求1次或0次请求。
    迭代查询：主机请求一次，而本地域名服务器请求0次，1次或多次
  4. 给域名，问查询次数：
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3. 文件传输协议

3.1 文件传输协议 FTP(File Transfer Protocol)

  1. FTP的特点：

    1. FTP是基于C/S的模型，使用TCP协议。
    2. 提供不同种类主机系统(软硬件体系等都可以不同)之间的文件传输能力。
    3. 允许客户指名文件的类型和格式，并允许文件具有存取权限。
    4. 有两种使用方式：
      1. 使用权限管理的方式(账户、密码)
      2. 使用匿名的方式

  2. FTP服务进程的组成：

    1. 主进程：负责接受新的请求
    2. 若干从属进程：负责处理当个请求。
  • 注意：一个ftp的服务器进程可以同时为多个客户进程提供服务。

注意：ftp协议是控制信息是带外传送的协议。带内指数据传送通道，ftp的控制信息与数据的传输使用的是两个不同的通道，所以其是控制信息是带外传送的协议。其他协议基本上都是控制信息与数据传输是同一个连接。
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注意：匿名ftp访问通常使用“anonymous”作为用户名。

3.1.1 FTP工作原理

* 文件传输的工作步骤：
	1. 服务器打开熟知端口21(也可以更改)。
	2. 等待客户发送请求
	3. 主进程接受请求后，将请求交给从属进程处理，从属进程处理完请求后终止。
		注意：主进程与从属进程是并发执行的。(多个请求下)
	5. 回到等待状态，继续接受其他客户的请求。

* 注意：ftp服务器必须在整个会话期间保留用户的状态信息，比如账户密码等信息，具体体现在控制进程中。

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注意：控制进程和连接进程都属于从属进程。

  • 主进程接受到客户连接请求后，fork一个子进程(即控制连接进程，因为是子进程，依旧使用21号端口)，建立控制连接，双方进入会话状态，这时主服务器进程进入堵塞状态，等待新的客户ftp请求。
  • 如果此时，客户控制进程向服务器发送数据请求，此时，控制连接fork一个新的进程(新的进程肯定不为21号端口)，专门用来进行数据传输，与客户端所建立的连接就是数据连接。

控制连接始终保持，只要连接不释放。
数据连接只是在具体传文件时保持一会，数据传输完毕后立马释放，如果有新的数据，有需要再建立连接…

注意：数据连接的端口不一定是20

  1. 如果是主动方式使用TCP20端口，
  2. 如果是被动方式，由服务器和客户端自行协商决定(端口>1024)
  3. 控制连接和数据连接都是基于TCP协议的。
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  1. 主动方式
    1. 用户向FTP服务器发送一个连接请求，服务器响应给客户端TCP的21端口，并立马进行第2步操作。
    2. 服务器立马发送使用20端口与客户端建立数据传送的请求。
  2. 被动方式
    1. 用户向FTP服务器发送一个连接请求，服务器响应给客户端TCP的21端口。然后服务器不立马发送数据连接请求，而是等客户端发送数据连接请求。
    2. 客户端发送数据连接请求，服务器端随机使用一个>1024的端口响应。

那么为什么要设计两个独立的连接？

是因为使用两条独立的连接可以使ftp变得更加的简单、更容易被实现、更有效率。同时，在文件的传输过程中，还可以利用控制连接控制传输过程，比如客户可以请求终止、暂停等。

3.1.2 FTP传输模式

  1. 文本模式：ASCII模式，以文本序列传输数据。
  2. 二进制模式：Binary模式，以二进制序列传输数据。

3.2 简单文件传输协议 TFTP(Trivial File Tranfsfer Protocol)

* 优点：
	1. 适用于UDP环境-程序或文件同时被许多终端下载
	2. 代码占内存小-适用于特殊内存小的设备
	3. 面向小文件

4. 电子邮件

  1. 电子邮件组成

    1. 信封
    2. 邮件内容
      1. 邮件头
      2. 邮件体:实际要传送的信函内容。

  2. 电子邮件的格式：收件人邮箱名@邮箱所在主机域名，如abc@qq.com 其中收件人邮箱名即用户名。
    abc在qq.com上必须是唯一的。

注意：

  1. 首部中包含一些首部行，每个首部行由一个关键字后跟冒号再后跟值组成。有些关键字是必须的，有些是可选的。
    有些是自动生成的，比如发件人，时间，有些是需要用户填写的，比如To:、Subject:
    1. 必填
      1. To:
      2. From:
    2. 选填
      1. Subjedt: 主题
  2. 传输层使用的是明文来传输密码的。

4.1 电子邮件运转流程

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注意：

  1. 无论是用户代理与服务器间，还是服务器与服务器间，发送邮件都是使用的SMTP协议，只有真正的需要接受邮件的用户接受邮件时使用的POP3或IMAP协议。
  2. 每个邮件服务器既可以做服务器，也可以做用户。
  • 邮件发送过程
    1. 发送方使用SMTP将邮件发送给发送端邮件服务器
    2. 发送方邮件服务器定时扫描缓存中是否有待发送的邮件，有就向接收端邮件服务器进程发送建立TCP连接请求。
    3. 如果接收端邮件服务器现在能够处理，就建立TCP连接，SMTP客户开始向远程SMTP服务器进程发送邮件。当所有待发送给该邮局的邮件发送完毕后，就关闭此次TCP连接。
    4. 接受方邮件服务器进程接受到邮件后，将邮件放入收信人的用户邮箱，等待收信人在方便时进行读取。
    5. 收件人打算收信时，调用用户代理，使用POP3(或者IMAP)协议将自己的邮件从接收方服务器的用户邮箱中取回。
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4.2 SMTP协议和MIME协议(SMTP的改进)

SMTP协议使用的是：TCP连接，25号端口，C/S模型。

SMTP通信的三个阶段：
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具体过程如下：
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虽然，SMTP能够传送邮件，但是其传送的内容有一些限制：

  1. SMTP不能传送可执行文件或者其他二进制对象。
  2. SMTP只能传送7位ASCII码，不能传送其他非英语国家的文字。
  3. SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件。

上面的缺点显然是我们不能容忍的，为了解决上面的几个问题，我们一般是使用对SMTP加强的MIME协议。其处理过程如下：
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这样使得电子邮件可以支持声音、图像视频、多国语言等，使得传输内容更加丰富。
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4.3 POP3协议与IMAP协议

POP3的3指的是使用POP协议的第三版本。

POP3协议使用TCP连接，端口号为110，使用C/S模型。

POP3工作方式：

  1. 下载并保留（在服务器上）
  2. 下载并删除

由此可见，POP3协议不是很符合实际情况，为了加强用户体验，出现了一种新的协议：网际报文存储协议IMAP。

注意：

  1. POP3在传输层使用明文来传输帐号、密码，并不对其加密
  2. 该协议只能传输ASCII码的，其他的都不能发，连二进制数据也不行。如果要传输非ASCII码数据，可以通过MIME转。
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IMAP协议比POP协议要复杂的多。其主要有如下两个主要功能：

  1. 当用户pc上的IMAP客户程序打开IMAP服务器的邮箱时，用户可以看到邮箱的首部，若用户需要打开某个邮件，该邮件才上传到用户的计算机上。
  2. IMAP可以让用户在不同的地方使用不同的计算机随时上网阅读处理邮件，还允许只读取邮件中的某个部分。（比如先看正文，附件自定义下载）

4.4 基于万维网的电子邮件

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特点：与用户代理接触使用http协议。

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5. 万维网和HTTP协议

5.1 万维网概述

* 万维网概述
	1. 万维网www是一个大规模的、联机式的信息存储所，是无数个网络站点和网页的集合。
	2. URL：统一资源定位符->唯一标识“页面“资源
		* 形式
			<协议>://<主机>:<端口>/<路径>
			eg：https://www.baidu.com
		* 注意：
			1. 端口和路径可以省略
			2. URL中不区分大小写
	3. 万维网使用超文本标记语言HTML，使得用户能够从一个界面跳到另一个界面。
	4. 万维网中使用http/https协议以超链接的形式提供给用户。
		* HTTP协议有响应报文和请求报文两种。
	5. 万维网以C/S方式工作。

5.2 超文本传输协议HTTP

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  1. HTTP协议特点：
    1. HTTP协议是无状态的。比如两次请求同一个页面是一样的。
      • 好处：简化了服务器的设计，更容易支持高并发的HTTP请求。
    2. 通过Cookie记录用户状态。cookie是存储在客户端的。
    3. HTTP采用TCP作为运输层协议，但HTTP协议本身是无连接的(重点)，因为运输层的TCP面向连接的。
      • HTTP不必考虑数据在传输过程中被丢弃后怎么重传。通信双方在交换HTTP报文之前不需要建立连接。
    4. HTTP可以使用持久连接也可以使用非持久连接。
      • 注意：HTTP/1.0 只支持非持久连接。

5.2.1 HTTP连接方式

  1. HTTP的连接方式

    1. 持久连接：在建立一次TCP连接之后，一段时间后再释放连接，以便有其他文件继续传，节省时间。
      1. 非流水线
      2. 流水线
    2. 非持久连接：每次请求/响应（这里是请求和该请求对应的响应）都需要建立TCP连接，接受完毕后立即释放连接。
      • 每次文件传输时间 = 2RTT + 文件传输时间
      • 读取一个100个图片的页面，需要建立101次TCP连接。
      1. HTTP/1.0 只支持非持久连接。
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  2. 连接类型的标志：

    1. 在首部行中
      1. Connection: close ->非持久连接
      2. Connection: keep-alive ->持久连接

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持久连接传输文件的效率更高。
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同样的多的请求，流水式处理这些请求更加快。

5.2.2 HTTP报文

* HTTP报文分类：
	1. 请求报文reques
		* 分类
			1. get
			2. post
			3. put
			4. head ->服务器不会返回响应报文，主要作用是调试
			   ...
	2. 响应报文response

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* 请求和响应报文都是由三部分组成：
	1. 开始行：用来区分是请求还是响应报文
	2. 首部行：可有多行（说明浏览器、cookie等信息），最后有一个空行与实体主体隔开。
	3. 实体主体
		* 请求报文一般不用，响应报文一般使用

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