【知识总结】第六章-应用层

网络应用模型

客户/服务器模型

即Cient/Server模型、C/S模型
- 服务器是服务提供方，要一直保持运行状态
- 客户是服务请求方，要实现知道服务器的地址
工作流程
- 服务器处于接收请求状态
- 客户机发出服务请求，等待结果
- 服务器收到后，分析请求、处理、把结果发给客户机
特征
- 非对称
  - 占少数的服务器集中管理整个网络
  - 占多数的客户机的权限由服务器管理限制
- 客户机之间不能通信
- 服务器支持的客户机数有限
应用举例
- FTP
- TELNET
- SMTP
- DNS
- WWW（Web）

对等模型

即P2P模型
- P2P网络是由对等结点组成的逻辑网络
特征
- 各计算机地位对称，既是客户，又是服务器
  - 获取服务的同时需要提供服务，也算缺点
- 任意一对计算机（对等方）直接相互通信
- 网络单结点失效不影响其他结点
应用举例
- PPlive
- Bittorrent
- 电驴

域名系统DNS

层次域名空间

域名：网络设备的一种具有层次结构的命名
- 比如www.google.com是谷歌搜索服务器的域名
- ".com"顶级域名、".google"二级域名、"www"三级域名
概念介绍
- 域名
  - 多个标号的序列，标号间"."隔开
  - 每个标号对应一个子域名，且从左到右域名级别递增，最右边是顶级域名
  - 不超过255各字符
- 标号
  - 由字母、数字、"-"组成
  - 不区分大小写
  - 不超过63个字符
- 顶级域名
  - 国家顶级域名：".cn"是中国、".us"是美国
  - 通用顶级域名：".com"是公司、".org"是非营利组织
  - 基础结构域名：".arpa"反向域名解析（唯一的基础结构域名）
- 层次域名空间
  - 各个域的关系可以用树状层次结构表示
  - 各个域的管理组织不同，子域由子组织管理

域名服务器

域名服务器：采用C/S模型的分布式数据库系统，提供从域名到IP地址的解析
- 若不能进行解析，则给用户提供寻找其他域名服务器的信息
区：一个域名服务器的管辖范围
域名系统（DNS）：以层次方式组织大量域名服务器，提供域名解析服务
域名服务器按层次的分类
- 根域名服务器
  - 13个相互冗余的根域名服务器组成服务器集群，管理所有顶级域名服务器的IP地址
  - 提供下一步要查询的顶级域名服务器的IP地址
- 顶级域名服务器
  - 管理该域名服务器所注册的所有二级域名
  - 提供最终结果的IP地址或下一步要查询的域名服务器的IP地址
- 授权域名服务器（又叫权限域名服务器，可以涉及多个层次）
  - 管理在服务器注册的所有主机（一台主机一般在多个服务器注册）
  - 提供从主机名到主机IP地址的转换
- 本地域名服务器
  - 每个因特网服务提供者（ISP）可以拥有一个本地域名服务器
  - 处理本地主机的DNS查询请求

域名解析过程

正向解析：域名映射到IP地址
反向解析：IP地址映射到域名
DNS请求报文：由用户机的DNS客户端构造，装入UDP，发往服务器，请求域名解析服务
域名解析方式
- 注：
  - 为描述简洁，域名服务器简写，比如“根域名服务器”简写为“根”
  - 低层服务器看作是高层服务器的用户机
- 递归查询（负载较大，很少使用）
  - 主机、本地、根、顶级、权限、顶级、根、本地、主机
- 递归与迭代相结合的查询（常用）
  - 完整的递归迭代查询：主机、本地、根、本地、顶级、本地、权限、本地、主机
  - 不完整的递归迭代查询：前三个本地的任意一个，若已经查到了域名的IP地址，可以提前结束迭代，返回主机
  - 退化为递归查询：主机、本地、主机
高速缓存
- DNS服务器获得DNS查询结果后，除了将其发送给用户机，还要将其保存到高速缓存
  - 方便之后相同的域名查询
  - 高速缓存内容不永久保存，定期丢弃

文本传输协议FTP

工作原理

功能
- 以用户登陆方式，获得远程FTP服务器的文件的管理权限
  - 上传和下载
- 以匿名方式（非用户登陆方式）提供公用文件的共享
- 提供不同种主机间的文件传输
服务器的进程组成
- 一个主进程（端口号21）
  - 接收新请求
- 若干从属进程
  - 处理单个请求
从属进程类型
- 控制进程（端口号21）
- 数据传送进程（默认情况端口号20）
工作步骤
- 主进程等待客户连接请求
- 主进程收到客户连接请求，启动控制进程，建立控制连接
  - 会话结束后终止控制进程
- 控制进程收到客户数据传输请求，启动数据传送进程，建立数据连接
  - 传送完后终止数据传送进程
- 会话结束后，继续等待其他客户请求

控制连接和数据连接

控制连接
- 两端进程：控制进程
- 服务器端口号：21
- 用户端口号：用户随机分配
- 功能：以ASCII格式传送控制信息，如数据连接请求、数据传送请求、中止传输命令等
- 带外传送：指控制连接和数据连接分离的传送方式
数据连接
- 两端进程：数据传送进程
- 服务器端口号
  - 主动模式：20
  - 被动模式：服务器随机分配
- 用户端口号：用户随机分配
- 功能：完成客户端和服务器端的文件数据传送
- 传送模式：默认为主动模式
  - 主动模式PORT：客户发送PORT命令和客户端口号，再由服务器发起连接
  - 被动模式PASV：客户发送PASV命令获取服务器端口号，再由客户机发起连接

文件修改方式

传统的FTP
- 在本地复制远程文件的整个副本，修改后传回服务器，很耗时
网络文件系统NFS
- 在本地复制远程文件的特定片段，修改后传回服务器，速度快

电子邮件

电子邮件系统的组成结构

用户代理
- 用户和电子邮件系统的接口（即邮件客户端软件）
- 提供邮件撰写、显示、处理、通信的功能
邮件服务器
- 功能是发送和接收邮件
- 结构包括邮件缓存和用户邮箱
- 举例：qq邮件服务器、189邮件服务器等
电子邮件的协议
- 发送协议（SMTP协议）
  - 发送方用户代理（客户）数据推到发送方邮件服务器（服务器）的邮件缓存
  - 发送方邮件服务器（客户）发送数据到接收方邮件服务器（服务器）的用户邮箱
- 接收协议（POP3协议或IMAP协议）
  - 接收方邮件服务器（服务器）数据拉到接收方用户代理（客户）

电子邮件格式

信封
- 自动填写
内容
- 首部
  - From（自动填写）：[发送方用户邮箱名]@[发送方邮件服务器的域名]
  - To（用户必填）：[接收方用户邮箱名]@[接收方邮件服务器的域名]
  - Subject（用户选填）：[邮件的主题]
- 主体
  - 用户撰写的邮件内容（ASCII码）

MIME

即多用途网际邮件扩充

功能
- 使得SMTP除了支持ASCII码，还支持其他编码以及二进制文件的发送
实现
- 不改变SMTP
- 新定义了首部字段、主体结构、传送非ASCII码的规则

SMTP与POP3

SMTP
- 连接建立
  - 发送方邮件服务器定期扫描缓存
  - 缓存发现邮件，则在端口25和接收方服务器建立TCP连接
  - 接收方回复220 Service ready
  - 发送方发出HELO，带有发送方主机名
- 邮件传送
  - 发送方发出的MAIL，带有发件人地址
  - 接收方回复250 OK
  - 发送方发出若干RCPT，确认接收方是否做好准备
  - 接收方回复250 OK或No such user here
  - 发送方发出DATA，传输邮件内容
  - 接收方回复354 Start mail input；end with .
  - 发送方发出.，表示邮件内容结束
- 连接释放
  - 发送方发出QUIT
  - 接收方回复221
  - 进行TCP的连接释放
POP3
- 端口号110，基于TCP
- 工作方式（由POP3客户决定）
  - 下载并保留：下载后邮件保留在邮箱
  - 下载并删除：下载后邮件删除
- 传输方式
  - 明文传输
IMAP
- 比POP3复杂，但都是用于邮件接收

HTTP

在万维网的邮件系统中使用HTTP协议 + 用户代理（浏览器）和邮件服务器以HTTP发送和接收邮件

WWW

WWW的概念和组成结构

基本概念

万维网（WWW）：联机分布式的信息储藏所
- 万维网由大量网络站点互联
- 每个站点包含若干文档（页面、资源）
超链接（链接）：从一个文档访问另一个文档的方法
超文本：包含链接的文档（纯文本）
超媒体：包含链接的文档（除了文本，还包含图像、声音、视频等媒体）
互联网、因特网、万维网的关系
- 互联网：多个计算机网络按协议连接的大型网络
- 因特网：实际已有的最大的互联网，包括网络站点、电子邮件、新闻组等
- 万维网：因特网的主要部分

组成结构

统一资源定位符（URL）：唯一的标识万维网的文档
- 例如："http://www.tsinghua.edu.cn:80/zjqh/xxgk1.htm"
- 结构：[传送协议]://[服务器主机域名]：[端口]/[路径]
- 注：传送协议一般是http或fps，端口一般省略
超文本传输协议（HTTP）：基于TCP的应用层协议，在浏览器客户端和Web服务器之间传送超文本
超文本标记语言（HTML）：对页面进行描述的语言

HTTP

操作过程

浏览器分析URL，得到URL的四个成分，传送协议是http
浏览器请求DNS解析URL中的服务器主机域名，得到服务器IP地址
浏览器与服务器的端口80建立TCP连接
浏览器发出HTTP请求，GET/[路径]
服务器发出HTTP响应，回复路径对应的文档
释放TCP
浏览器解释文档，并显示给用户

特点

HTTP是无连接的
- 传送数据前不需要建立HTTP连接
HTTP是无状态的
- 服务器不跟踪用户活动
- 可以用Cookie加数据库跟踪用户活动
  - Cookie在服务器生成，在浏览器储存
可以非持久连接和持久连接
- 非持久连接：服务器发送响应后释放TCP
  - 比如前面的操作过程
- 持久连接：服务器发送响应后保持TCP
  - 非流水线方式（HTTP/1.0）：浏览器收到响应才能发出下一个请求
  - 流水线方式（HTTP/1.1）：可以连续发送请求给浏览器

报文结构

注：每个字段都是ASCII码

请求报文
- 请求行：[方法][空格][URL][空格][HTTP版本][CRLF]
  - GET方法：请求服务器响应并返回实体
  - HEAD方法：请求服务器响应，不返回实体
  - POST方法：给服务器发送注释
  - CONNECT方法：用于代理服务器
  - PUT方法：在URL处存储一个文档
  - DELETE方法：删除URL对应文档
  - CRLF：回车换行
- 首部：包含若干首部行，每个首部行结构为[字段名][:][空格][值][CRLF]
  - Host字段：服务器主机域名
  - Connection字段：close或open，表示是否持久连接
  - User-Agent：浏览器名称和版本
  - Accept-Language：比如cn表示请求服务器优先响应中文文档
- [CRLF]
- 实体主体：通常不用
响应报文
- 状态行：[版本][空格][状态码][空格][短语][CRLF]
  - 状态码（3位5类）：通知收到（1xx）、接受请求（2xx）、资源位置已转移（3xx）、客户差错（4xx）、服务器差错（5xx）
  - 短语：对状态码简单解释
- 首部：包含若干首部行
  - 首部行：[字段名][:][空格][值][CRLF]
- [CRLF]
- 实体主体：包含一个请求对象（如文本、一张图片），有时不用