第六章应用层

1.应用层概述

应用层是计算机网络体系结构的最顶层，是设计和建立计算机网络的最终目的，也是计算机网络中发展最快的部分。

• 早期基于文本的应用(电子邮件、远程登录、文件传输、新闻组)

• 20世纪90年代将因特网带入千家万户的万维网www

• 当今流行的即时通信、P2P文件共享及各种音视频应用

• 计算设备的小型化和“无处不在”，宽带住宅接入和无线接入的日益普及和迅速发展，为未来更多的新型应用提供了广阔的舞台。

2.客户-服务器方式和对等方式

• 网络应用程序运行在处于网络边缘的不同的端系统上，通过彼此间的通信来共同完成某项任务。

• 开发一种新的网络应用首先要考虑的问题就是网络应用程序在各种端系统上的组织方式和它们之间的关系。

• 目前流行的主要有以下两种:

  • 客户/服务器(Client/Server，C/S)方式
  • 对等(Peer-to-Peer，P2P)方式

2.1客户/服务器(Client/Server,C/S)方式

• 客户和服务器是指通信中所涉及的两个应用进程。

• 客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

• 服务器总是处于运行状态，并等待客户的服务请求。服务器具有固定端口号(例如HTTP服务器的默认端口号为80)，而运行服务器的主机也具有固定的IP地址。

• C/S方式是因特网上传统的、同时也是最成熟的方式，很多我们熟悉的网络应用采用的都是C/S方式。包括万维网www、电子邮件、文件传输FTP等。

• 基于C/S方式的应用服务通常是服务集中型的，即应用服务集中在网络中比客户计算机少得多的服务器计算机上。

  • 由于一台服务器计算机要为多个客户机提供服务，在C/S应用中，常会出现服务器计算机跟不上众多客户机请求的情况。
  • 为此，在C/S应用中，常用计算机群集(或服务器场)构建一个强大的虚拟服务器。

2.2对等(Peer-to-Peer，P2P)方式

• 在P2P方式中，没有固定的服务请求者和服务提供者，分布在网络边缘各端系统中的应用进程是对等的，被称为对等方。对等方相互之间直接通信，每个对等方既是服务的请求者，又是服务的提供者。

• 目前，在因特网上流行的P2P应用主要包括P2P文件共享、即时通信、P2P流媒体、分布式存储等。

• 基于P2P的应用是服务分散型的，因为服务不是集中在少数几个服务器计算机中，而是分散在大量对等计算机中，这些计算机并不为服务提供商所有，而是为个人控制的桌面计算机和笔记本电脑，它们通常位于住宅、校园和办公室中。

• P2P方式的最突出特性之一就是它的可扩展性。因为系统每增加一个对等方，不仅增加的是服务的请求者，同时也增加了服务的提供者，系统性能不会因规模的增大而降低。

• P2P方式具有成本上的优势，因为它通常不需要庞大的服务器设施和服务器带宽。为了降低成本，服务提供商对于将P2P方式用于应用的兴趣越来越大。

3.动态主机配置协议DHCP

4.域名系统DNS

• 因特网采用层次树状结构的域名结构

• 域名的结构由若干个分量组成，各分量之间用“点”隔开，分别代表不同级别的域名。

• 每一级的域名都由英文字母和数字组成，不超过63个字符，不区分大小写字母。
• 级别最低的域名写在最左边，而级别最高的顶级域名写在最右边。
• 完整的域名不超过255个字符。

域名和IP地址的映射关系必须保存在域名服务器中，供所有其他应用查询。显然不能将所有信息都储存在一台域名服务器中,DNS使用分布在各地的域名服务器来实现域名到IP地址的转换。

域名服务器可以划分为以下四种不同的类型:

根域名服务器
根域名服务器是最高层次的域名服务器。每个根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名及其IP地址。因特网上共有13个不同IP地址的根域名服务器。尽管我们将这13个根域名服务器中的每一个都视为单个的服务器，但“每台服务器”实际上是由许多分布在世界各地的计算机构成的服务器群集。当本地域名服务器向根域名服务器发出查询请求时，路由器就把查询请求报文转发到离这个DNS客户最近的一个根域名服务器。这就加快了DNS的查询过程，同时也更合理地利用了因特网的资源。根域名服务器通常并不直接对域名进行解析，而是返回该域名所属顶级域名的顶级域名服务器的IP地址。

顶级域名服务器
这些域名服务器负责管理在该顶级域名服务器注册的所有二级域名。当收到DNS查询请求时就给出相应的回答(可能是最后的结果，也可能是下一级权限域名服务器的IP地址)。

权限域名服务器
这些域名服务器负责管理某个区的域名。每一个主机的域名都必须在某个权限域名服务器处注册登记。因此权限域名服务器知道其管辖的域名与IP地址的映射关系。另外，权限域名服务器还知道其下级域名服务器的地址。

本地域名服务器
本地域名服务器不属于上述的域名服务器的等级结构。当一个主机发出DNS请求报文时，这个报文就首先被送往该主机的本地域名服务器。本地域名服务器起着代理的作用，会将该报文转发到上述的域名服务器的等级结构中。每一个因特网服务提供者lSP，一个大学，甚至一个大学里的学院，都可以拥有一个本地域名服务器，它有时也称为默认域名服务器。本地域名服务器离用户较近，一般不超过几个路由器的距离，也有可能就在同一个局域网中。本地域名服务器的IP地址需要直接配置在需要域名解析的主机中。

由于递归查询对于被查询的域名服务器负担太大，通常采用以下模式:从请求主机到本地域名服务器的查询是递归查询，而其余的查询是迭代查询。

为了提高DNS的查询效率，并减轻根域名服务器的负荷和减少因特网上的DNS查询报文数量，在域名服务器中广泛地使用了高速缓存。高速缓存用来存放最近查询过的域名以及从何处获得域名映射信息的记录。

由于域名到IP地址的映射关系并不是永久不变，为保持高速缓存中的内容正确，域名服务器应为每项内容设置计时器并删除超过合理时间的项(例如，每个项目只存放两天)

不但在本地域名服务器中需要高速缓存，在用户主机中也很需要。许多用户主机在启动时从本地域名服务器下载域名和IP地址的全部数据库，维护存放自己最近使用的域名的高速缓存，并且只在从缓存中找不到域名时才向域名服务器查询。同理，主机也需要保持高速缓存中内容的正确性。

【2010年题40】如果本地域名服务器无缓存，当采用递归方法解析另一网络某主机域名时，用户主机、本地域名服务器发送的域名请求消息数分别为A
A.一条、一条
B.一条、多条
C.多条、一条
D.多条、多条

【2016年题40】假设所有域名服务器均采用迭代查询方式进行域名解析，当H4访问规范域名为www.abc.xyz.com的网站时，域名服务器201.1.1.1在完成该域名解析过程中，可能发出DNS查询的最少和最多次数分别是C
A.0，3
B.1，3
C.0，4
D.1，4

【解析】

若主机H4的DNS高速缓存中有该域名的DNS信息时，不需要查询任何域名服务器。这样，H4无需向图中的默认域名服务器(本地域名服务器)发出DNS查询，该域名服务器也无需发出DNS查询。

题目给定采用迭代查询进行域名解析，在最坏的情况下，需要图中的本地域名服务器依次向以下域名服务器发出共4次DNS查询:

根域名服务器

顶级域名服务器(.com)

权限域名服务器(xyz.com)

权限域名服务器(abc.xyz.com)

5.文件传送协议FTP

• 将某台计算机中的文件通过网络传送到可能相距很远的另一台计算机中，是一项基本的网络应用，即文件传送。

• 文件传送协议FTP (File Transfer Protocol)是因特网上使用得最广泛的文件传送协议。

  • FTP提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式(如指明是否使用ASCII码)，并允许文件具有存取权限(如访问文件的用户必须经过授权，并输入有效的口令)。
  • FTP屏蔽了各计算机系统的细节，因而适合于在异构网络中任意计算机之间传送文件。

• 在因特网发展的早期阶段，用FTP传送文件约占整个因特网的通信量的三分之一，而由电子邮件和域名系统所产生的通信量还要小于FTP所产生的通信量。只是到了1995年，万维网WWW的通信量才首次超过了FTP。

FTP的常见用途是在计算机之间传输文件，尤其是用于批量传输文件。

FTP的另一个常见用途是让网站设计者将构成网站内容的大量文件批量上传到他们的Web服务器。

【2009年题40】FTP客户和服务器间传递FTP命令时，使用的连接是A

A.建立在TCP之上的控制连接
B.建立在TCP之上的数据连接
C.建立在UDP之上的控制连接
D.建立在UDP之上的数据连接

【解析】

FTP客户和服务器之间要建立以下两个并行的TCP连接:

一个是控制连接，在整个会话期间一直保持打开，用于传送FTP相关控制命令。

另一个是数据连接，用于文件传输，在每次文件传输时才建立，传输结束就关闭。

【2017年题40】下列关于FTP协议的叙述中，错误的是C

A.数据连接在每次数据传输完毕后就关闭

B.控制连接在整个会话期间保持打开状态

C.服务器与客户端的TCP20端口建立数据连接

D.客户端与服务器的TCP 21端口建立控制连接

【解析】
FTP客户和服务器之间要建立“控制连接”和“数据连接”这两个并行的TCP连接。

控制连接在整个会话期间都保持打开状态，而数据连接在每次文件传输时才建立，传输结束就关闭。

默认情况下，FTP使用TCP21端口进行控制连接，TCP20端口进行数据连接。

但是，是否使用TCP20端口建立数据连接与传输模式有关，主动方式使用TCP 20端口，被动方式由服务器和客户端自行协商决定。

6.电子邮件

• 电子邮件系统采用客户/服务器方式。

• 电子邮件系统的三个主要组成构件:用户代理，邮件服务器，以及电子邮件所需的协议。

  • 用户代理是用户与电子邮件系统的接口，又称为电子邮件客户端软件。
  • 邮件服务器是电子邮件系统的基础设施。因特网上所有的ISP都有邮件服务器，其功能是发送和接收邮件，同时还要负责维护用户的邮箱。
  • 协议包括邮件发送协议(例如SMTP)和邮件读取协议(例如POP3，IMAP)。

【2012年题40】若用户1与用户2之间发送和接收电子邮件的过程如下图所示，则图中①.②.③阶段分别使用的应用层协议可以是 D
A.SMTP、SMTP、SMTP
B.POP3、SMTP、POP3
C. POP3、SMTP、SMTP
D.SMTP、SMTP、POP3

【2013年题40】下列关于SMTP协议的叙述中，正确的是 A
I.只支持传输7比特ASCII码内容

II.支持在邮件服务器之间发送邮件

III.支持从用户代理向邮件服务器发送邮件

IV.支持从邮件服务器向用户代理发送邮件

A.仅l、II和III
B.仅lI和IV
C.仅l、III和IV
D.仅II、III和IV

【2018年题40】无需转换即可由SMTP协议直接传输的内容是 D
A.JPEG图形
B.MPEG视频
C.EXE文件
D.ASCIl文本

7.万维网WWW

• 万维网www (World Wide Web)并非某种特殊的计算机网络。它是一个大规模的、联机式的信息储藏所，是运行在因特网上的一个分布式应用。

• 万维网利用网页之间的超链接将不同网站的网页链接成一张逻辑上的信息网。

• 为了方便地访问在世界范围的文档，万维网使用统一资源定位符URL来指明因特网上任何种类“资源”的位置。

• URL的一般形式由以下四个部分组成:

• 超文本传输协议HTTP(HyperText Transfer Protocol)。HTTP定义了浏览器(即万维网客户进程)怎样向万维网服务器请求万维网文档，以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器。

• HTTP/1.0采用非持续连接方式。在该方式下，每次浏览器要请求一个文件都要与服务器建立TCP连接，当收到响应后就立即关闭连接。

  • 每请求一个文档就要有两倍的RTT的开销。若一个网页上有很多引用对象(例如图片等)，那么请求每一个对象都需要花费2RTT的时间。
  • 为了减小时延，浏览器通常会建立多个并行的TCP连接同时请求多个对象。但是，这会大量占用万维网服务器的资源，特别是万维网服务器往往要同时服务于大量客户的请求，这会使其负担很重。

• HTTP/1.1采用持续连接方式。在该方式下，万维网服务器在发送响应后仍然保持这条连接，使同一个客户(浏览器)和该服务器可以继续在这条连接上传送后续的HTTP请求报文和响应报文。这并不局限于传送同一个页面上引用的对象，而是只要这些文档都在同一个服务器上就行。

• HTTP的报文格式。HTTP是面向文本的，其报文中的每一个字段都是一些ASCII码串，并且每个字段的长度都是不确定的。

参考：6.2 客户—服务器方式和对等方式_哔哩哔哩_bilibili