【教学课件】第6章应用层.ppt

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1、第 6 章 应用层应用层协议的特点 1、每个应用层协议都是为了解决某一类应用问题，而问题的解决又往往是通过位于不同主机中的多个应用进程之间的通信和协同工作来完成的。应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。2、应用层的许多协议都是基于客户服务器方式。客户(client)和服务器(server)都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。6.1 域名系统 DNS6.1.1 概述1、域名系统的定义：域名系统DNS是因特网使用的命名系统，用来把便于人们使用的机器名字转换为IP地址。2、域名服务器：域名到 IP

2、 地址的解析是由分布在因特网上的许多域名服务器程序共同完成的。域名服务器程序在专设的结点上运行，运行该程序的机器称为域名服务器。6.1.2 因特网的域名结构1、因特网采用了层次树状结构的命名方法。2、任何一个连接在因特网上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构的名字，即域名。3、域名的结构由标号序列组成，各标号之间用点隔开：.三级域名.二级域名.顶级域名n各标号分别代表不同级别的域名。顶级域名 TLD(Top Level Domain)(1)国家顶级域名 nTLD：如:.cn 表示中国，.us 表示美国，.uk 表示英国，.中国等等。(2)通用顶级域名 gTLD：最早的顶级域名是：.com （

3、公司和企业）.net （网络服务机构）.org （非赢利性组织）.edu （美国专用的教育机构（）.gov （美国专用的政府部门）.mil （美国专用的军事部门）.int （国际组织）新增加了下列的通用顶级域名 n.aero（航空运输企业）n.biz （公司和企业）n.cat （加泰隆人的语言和文化团体）n.coop （合作团体）n.info （各种情况）n.jobs （人力资源管理者）n.mobi （移动产品与服务的用户和提供者）n.museum （博物馆）n.name （个人）n.pro （有证书的专业人员）n.travel （旅游业）因特网的域名空间 根四级域名mailwwwbjeduc

4、omcctvibmhp二级域名pkutsinghua三级域名mailwwwcomnetorgedugovaerocnuk顶级域名6.1.3 域名服务器 1、区的定义：一个服务器所负责管辖的（或有权限的）范围叫做区(zone)。各单位根据具体情况来划分自己管辖范围的区。但在一个区中的所有节点必须是能够连通的。2、权限域名服务器：每一个区设置相应的权限域名服务器，用来保存该区中的所有主机的域名到IP地址的映射。3、区和域的关系：DNS 服务器的管辖范围不是以“域”为单位，而是以“区”为单位。区是域的子集，如下图：区的不同划分方法举例 域 区abcxuvwty(a)区=域(b)区 域域 区区abcx

5、uvwtycomeduorg根comeduorg根树状结构的 DNS 域名服务器 根域名服务器org 域名服务器com 域名服务器edu 域名服务器域名服务器abc 公司有两个权限域名服务器权限域名服务器根域名服务器顶级域名服务器域名服务器域名服务器有以下四种类型 n根域名服务器 n顶级域名服务器 n权限域名服务器 n本地域名服务器 根域名服务器 最高层次的域名服务器n根域名服务器是最重要的域名服务器。所有的根域名服务器都知道所有的顶级域名服务器的域名和 IP 地址。n不管是哪一个本地域名服务器，若要对因特网上任何一个域名进行解析，只要自己无法解析，就首先求助于根域名服务器。n在因特网上共有1

6、3 个不同 IP 地址的根域名服务器（并不是13个机器而是13套装置），它们的名字是用一个英文字母命名，从a 一直到 m（前13 个字母）。根域名服务器共有 13 套装置（不是 13 个机器）n这些根域名服务器相应的域名分别是 n到 2006 年底全世界已经安装了123个根域名服务器机器，分布在世界各地。n这样做的目的是为了方便用户，使世界上大部分 DNS 域名服务器都能就近找到一个根域名服务器。举例：根域名服务器 f 的地点分布图 根域名服务器并不直接把域名直接转换成 IP 地址。在使用迭代查询时，根域名服务器把下一步应当找 的顶级域名服务器的 IP 地址告诉本地域名服务器。共 40 个机器

7、顶级域名服务器（即 TLD 服务器）n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。n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，也可能是下一步应当找的域名服务器的 IP 地址）。权限域名服务器 n这就是前面已经讲过的负责一个区的域名服务器。n当一个权限域名服务器还不能给出最后的查询回答时，就会告诉发出查询请求的 DNS 客户，下一步应当找哪一个权限域名服务器。本地域名服务器 n也称为默认域名服务器。当一个主机发出 DNS 查询请求时，这个查询请求报文就发送给本地域名服务器。n每一个因特网服务提供者 ISP，或一个大学，甚至一个大学里的系，都可以拥有一个本地域

8、名服务器，提高域名服务器的可靠性nDNS 域名服务器都把数据复制到几个域名服务器来保存，其中的一个是主域名服务器，其他的是辅助域名服务器。n当主域名服务器出故障时，辅助域名服务器可以保证 DNS 的查询工作不会中断。域名的解析过程 n主机向本地域名服务器的查询一般都是采用递归查询。如果主机所询问的本地域名服务器不知道被查询域名的 IP 地址，那么本地域名服务器就以 DNS 客户的身份，向其他根域名服务器继续发出查询请求报文。n本地域名服务器向根域名服务器的查询通常是采用迭代查询。当根域名服务器收到本地域名服务器的迭代查询请求报文时，要么给出所要查询的 IP 地址，要么告诉本地域名服务器：“你下

9、一步应当向哪一个域名服务器进行查询”。然后让本地域名服务器进行后续的查询。本地域名服务器采用迭代查询 顶级域名服务器权限域名服务本地域名服务器根域名服务器迭代查询 的 IP 地址 递归查询需要查找 的 IP 地址本地域名服务器采用递归查询（比较少用）顶级域名服务器权限域名服务本地域名服务器 根域名服务器递归查询递归查询 的 IP 地址 需要查找 的 IP 地址6.2 文件传送协议 6.2.1 FTP概述n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。nFTP 提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式，并允许文件具有存取权限。nF

10、TP 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。6.2.2 FTP的基本工作原理n文件传送协议 FTP 只提供文件传送的一些基本的服务，它使用 TCP 可靠的运输服务。nFTP 的主要功能是减少或消除在不同操作系统下处理文件的不兼容性。nFTP 使用客户服务器方式。一个 FTP 服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。FTP 的服务器进程由两大部分组成：一个主进程，负责接受新的请求；另外有若干个从属进程，负责处理单个请求。主进程的工作步骤如下(1)打开熟知端口（端口号为 21），使客户进程能够连接上。(2)等待客户进程发出连接请求。(3)启动从属进程来处理客户进程

11、发来的请求。从属进程对客户进程的请求处理完毕后即终止，但从属进程在运行期间根据需要还可能创建其他一些子进程。(4)回到等待状态，继续接受其他客户进程发来的请求。主进程与从属进程的处理是并发地进行。两个连接n控制连接在整个会话期间一直保持打开，FTP 客户发出的传送请求通过控制连接发送给服务器端的控制进程，但控制连接不用来传送文件。n实际用于传输文件的是“数据连接”。服务器端的控制进程在接收到 FTP 客户发送来的文件传输请求后就创建“数据传送进程”和“数据连接”，用来连接客户端和服务器端的数据传送进程。n数据传送进程实际完成文件的传送，在传送完毕后关闭“数据传送连接”并结束运行。FTP 使用的

12、两个 TCP 连接 控制进程FTP 客户端FTP 服务器端因特网TCP 控制连接TCP 数据连接用户界面控制进程数据传送进程数据传送进程n 当客户进程向服务器进程发出建立连接请求时，要寻找连接服务器进程的熟知端口(21)，同时还要告诉服务器进程自己的另一个端口号码，用于建立数据传送连接。n接着，服务器进程用自己传送数据的熟知端口(20)与客户进程所提供的端口号码建立数据传送连接。n由于 FTP 使用了两个不同的端口号，所以数据连接与控制连接不会发生混乱。n（即21号用于控制连接，20号用于数据连接）两个不同的端口号 n使协议更加简单和更容易实现。n在传输文件时还可以利用控制连接（例如，客户发送

13、请求终止传输）。使用两个不同端口号的好处 6.2.3 简单文件传送协议 TFTP(Trivial File Transfer Protocol)nTFTP 是一个很小且易于实现的文件传送协议。nTFTP 也使用客户服务器方式，但它使用 UDP 数据报，因此 TFTP 需要有自己的差错改正措施。nTFTP 只支持文件传输而不支持交互。nTFTP 没有一个庞大的命令集，没有列目录的功能，也不能对用户进行身份鉴别。6.3 远程终端协议 TELNETnTELNET 是一个简单的远程终端协议，也是因特网的正式标准。n用户用 TELNET 就可在其所在地通过 TCP 连接注册（即登录）到远地的另一个主机上

14、（使用主机名或 IP 地址）。nTELNET 能将用户的击键传到远地主机，同时也能将远地主机的输出通过 TCP 连接返回到用户屏幕。这种服务是透明的，因为用户感觉到好像键盘和显示器是直接连在远地主机上。客户服务器方式n现在由于 PC 机的功能越来越强，用户已较少使用 TELNET 了。nTELNET 也使用客户服务器方式。在本地系统运行 TELNET 客户进程，而在远地主机则运行 TELNET 服务器进程。n和 FTP 的情况相似，服务器中的主进程等待新的请求，并产生从属进程来处理每一个连接。TELNET 使用网络虚拟终端 NVT 格式 因特网TCP 连接 客户端 服务器端 使用客户端的格式

15、使用服务器端的格式 使用 NVT 格式客户服务器6.4 万维网 WWW6.4.1 万维网概述n万维网 WWW(World Wide Web)并非某种特殊的计算机网络。n万维网是一个大规模的、联机式的信息储藏所。n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，从而主动地按需获取丰富的信息。n这种访问方式称为“链接”。代理服务器(proxy server)n代理服务器(proxy server)又称为万维网高速缓存(Web cache)，它代表浏览器发出 HTTP 请求。n万维网高速缓存把最近的一些请求和响应暂存在本地磁盘中。n当与暂时存放的请求相同的新请求到达时，万维网高速缓

16、存就把暂存的响应发送出去，而不需要按 URL 的地址再去因特网访问该资源。end6.5 电子邮件6.5.1 概述n发送邮件的协议：SMTPn读取邮件的协议：POP3 和 IMAPnMIME(通用因特网邮件扩充)由于SMTP只能传送可打印的7位ASCII码邮件，因此在1993年又提出了MIME，MIME 在其邮件首部中说明了邮件的数据类型(如文本、声音、图像、视像等)，使用 MIME 可在邮件中同时传送多种类型的数据。电子邮件最主要的组成构件 发送方邮件缓存 接收端邮件服务器用户代理SMTPSMTPPOP3 发送端邮件服务器用户代理用户邮箱接收方(发送邮件)（发送邮件）(读取邮件)因特网SMTP

17、POP3发送邮件发送邮件 SMTP读取邮件TCP连接TCP连接发送方邮件服务器SMTP客户POP3客户发件人用户代理接收方邮件服务器SMTP服务器POP3服务器SMTP服务器SMTP客户收件人用户代理TCP 连接注：发送方和接收方互为客户/服务器，发送时为客户，接收时为服务器用户代理 UA(User Agent)n用户代理 UA 就是用户与电子邮件系统的接口，是电子邮件客户端软件。n用户代理的功能：撰写、显示、处理和通信。n邮件服务器的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（已交付、被拒绝、丢失等）。n邮件服务器按照客户服务器方式工作。邮件服务器需要使用发送和读取两个不同的协

18、议。应当注意n一个邮件服务器既可以作为客户，也可以作为服务器。n例如，当邮件服务器 A 向另一个邮件服务器 B 发送邮件时，邮件服务器 A 就作为 SMTP 客户，而 B 是 SMTP 服务器。n当邮件服务器 A 从另一个邮件服务器 B 接收邮件时，邮件服务器 A 就作为 SMTP 服务器，而 B 是 SMTP 客户。电子邮件地址的格式nTCP/IP 体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下：收件人邮箱名邮箱所在主机的域名 (6-1)n符号“”读作“at”，表示“在”的意思。n 例如，电子邮件地址 邮箱所在的主机的域名在全世界必须是唯一的 这个用户名在该域名的范围内是唯一的。6.5.2 简

19、单邮件传送（发送和接收）协议 SMTP nSMTP 所规定的就是在两个相互通信的 SMTP 进程之间应如何交换信息。n由于 SMTP 使用客户服务器方式，因此负责发送邮件的 SMTP 进程就是 SMTP 客户，而负责接收邮件的 SMTP 进程就是 SMTP 服务器。nSMTP 规定了 14 条命令和 21 种应答信息。每条命令用 4 个字母组成，而每一种应答信息一般只有一行信息，由一个 3 位数字的代码开始，后面附上（也可不附上）很简单的文字说明。SMTP 通信的三个阶段 1.连接建立：连接是在发送主机的 SMTP 客户和接收主机的 SMTP 服务器之间建立的。SMTP不使用中间的邮件服务器。

20、2.邮件传送3.连接释放：邮件发送完毕后，SMTP 应释放 TCP 连接。6.5.3 电子邮件的信息格式 n一个电子邮件分为信封和内容两大部分。nRFC 822 只规定了邮件内容中的首部(header)格式，而对邮件的主体(body)部分则让用户自由撰写。n用户写好首部后，邮件系统将自动地将信封所需的信息提取出来并写在信封上。所以用户不需要填写电子邮件信封上的信息。n邮件内容首部包括一些关键字，后面加上冒号。最重要的关键字是：To 和 Subject。邮件内容的首部 n“To:”后面填入一个或多个收件人的电子邮件地址。用户只需打开地址簿，点击收件人名字，收件人的电子邮件地址就会自动地填入到合适

21、的位置上。n“Subject:”是邮件的主题。它反映了邮件的主要内容，便于用户查找邮件。n抄送“Cc:”表示应给某某人发送一个邮件副本。n“From”和“Date”表示发信人的电子邮件地址和发信日期。“Reply-To”是对方回信所用的地址。6.5.4 邮件读取协议POP3 和 IMAPn邮局协议 POP 是一个非常简单、但功能有限的邮件读取协议，现在使用的是它的第三个版本 POP3。nPOP 也使用客户服务器的工作方式。n在接收邮件的用户 PC 机中必须运行 POP 客户程序，而在用户所连接的 ISP 的邮件服务器中则运行 POP 服务器程序。IMAP 网际报文存取协议(Internet M

22、essage Access Protocol)nIMAP 也是按客户服务器方式工作，现在较新的是版本 4，即 IMAP4。n用户在自己的 PC 机上就可以操纵 ISP 的邮件服务器的邮箱，就像在本地操纵一样。n因此 IMAP 是一个联机协议。当用户 PC 机上的 IMAP 客户程序打开 IMAP 服务器的邮箱时，用户就可看到邮件的首部。若用户需要打开某个邮件，则该邮件才传到用户的计算机上。IMAP 的特点nIMAP最大的好处就是用户可以在不同的地方使用不同的计算机随时上网阅读和处理自己的邮件。nIMAP 还允许收件人只读取邮件中的某一个部分。例如，收到了一个带有视像附件（此文件可能很大）的邮件

23、。为了节省时间，可以先下载邮件的正文部分，待以后有时间再读取或下载这个很长的附件。nIMAP 的缺点是如果用户没有将邮件复制到自己的 PC 机上，则邮件一直是存放在 IMAP 服务器上。因此用户需要经常与 IMAP 服务器建立连接。必须注意n不要将邮件读取协议 POP 或 IMAP 与邮件传送协议 SMTP 弄混。n发信人的用户代理向源邮件服务器发送邮件，以及源邮件服务器向目的邮件服务器发送邮件，都是使用 SMTP 协议。n而 POP 协议或 IMAP 协议则是用户从目的邮件服务器上读取邮件所使用的协议。6.5.5 基于万维网的电子邮件n20世纪90年代中期，Hotmail引入了基于万维网的电

24、子邮件，今天，几乎所有的著名网站、大学或公司，都提供了基于万维网的电子邮件。这时，邮件系统中的用户代理就是普通的浏览器（如IE）。用户收发电子邮件时，打开IE就可以收发电子邮件了，如网易。HTTPHTTPn电子邮件从 A 发送到网易邮件服务器是使用 HTTP 协议。n两个邮件服务器之间的传送使用 SMTP。n邮件从新浪邮件服务器传送到 B 是使用 HTTP 协议。ABSMTP网易邮件服务器新浪邮件服务器6.5.6 通用因特网邮件扩充 MIME1.MIME 概述 SMTP 有以下缺点：nSMTP 不能传送可执行文件或其他的二进制对象。nSMTP 限于传送 7 位的 ASCII 码。许多其他非英语

25、国家的文字（如中文、俄文，甚至带重音符号的法文或德文）就无法传送。nSMTP 服务器会拒绝超过一定长度的邮件。n某些 SMTP 的实现并没有完全按照RFC 821的 SMTP 标准。MIME 的特点nMIME 并没有改动 SMTP 或取代它。nMIME 的意图是继续使用目前的RFC 822格式，但增加了邮件主体的结构，并定义了传送非 ASCII 码的编码规则。也就是说：MIME邮件可在现有的电子邮件程序和协议下传送。n 如下图所示：MIME 和 SMTP 的关系 非 ASCII 码7 位 ASCII 码MIMESMTPMIMESMTP7 位 ASCII 码7 位 ASCII 码非 ASCII

26、码用户用户6.6 动态主机配置协议 DHCP n动态主机配置协议 DHCP 提供了即插即用连网(plug-and-play networking)的机制。n这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。DHCP 使用客户服务器方式。n需要 IP 地址的主机在启动时就向 DHCP 服务器广播发送发现报文（DHCPDISCOVER），这时该主机就成为 DHCP 客户。nDHCP 服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息。若找不到，则从服务器的 IP 地址池(address pool)中取一个地址分配给该计算机。DHCP 服务器的回答报文叫做提供报文（D

27、HCPOFFER）。DHCP 中继代理(relay agent)n并不是每个网络上都有 DHCP 服务器，这样会使 DHCP 服务器的数量太多。现在是每一个网络至少有一个 DHCP 中继代理，它配置了 DHCP 服务器的 IP 地址信息。n当 DHCP 中继代理收到主机发送的发现报文后，就以单播方式向 DHCP 服务器转发此报文，并等待其回答。收到 DHCP 服务器回答的提供报文后，DHCP 中继代理再将此提供报文发回给主机。DHCP 中继代理以单播方式转发发现报文 主机DHCP服务器其他网络DHCP中继代理DHCPDISCOVER广播DHCPDISCOVER单播注意：DHCP 报文只是 UD

28、P 用户数据报中的数据。租用期(lease period)nDHCP 服务器分配给 DHCP 客户的 IP 地址是临时的，因此 DHCP 客户只能在一段有限的时间内使用这个分配到的 IP 地址。DHCP 协议称这段时间为租用期。n租用期的数值应由 DHCP 服务器自己决定。nDHCP 客户也可在自己发送的报文中（例如，发现报文）提出对租用期的要求。6.7 简单网络管理协议 SNMP6.7.1 网络管理的基本概念n网络管理包括对硬件、软件和人力的使用、综合与协调，以便对网络资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制，这样就能以合理的价格满足网络的一些需求，如实时运行性能，服务质量等。网络管理常简

29、称为网管。n网络管理并不是指对网络进行行政上的管理。网络管理的一般模型 管理站因特网网络管理员 被管设备 管理程序（运行 SNMP 客户程序）代理程序（运行 SNMP 服务器程序）AAAAM 被管设备 被管设备 被管设备MAA 被管设备网管协议代理(agent)n在每一个被管设备中都要运行一个程序以便和管理站中的管理程序进行通信。这些运行着的程序叫做网络管理代理程序，或简称为代理。n代理程序在管理程序的命令和控制下在被管设备上采取本地的行动。网络管理协议 n网络管理协议，简称为网管协议。n需要注意的是，并不是网管协议本身来管理网络。网管协议就是管理程序和代理程序之间进行通信的规则。n网络管理员

30、利用网管协议通过管理站对网络中的被管设备进行管理。客户服务器方式n管理程序和代理程序按客户服务器方式工作。n管理程序运行 SNMP 客户程序，向某个代理程序发出请求（或命令），代理程序运行 SNMP 服务器程序，返回响应（或执行某个动作）。n在网管系统中往往是一个（或少数几个）客户程序与很多的服务器程序进行交互。SNMP 的指导思想nSNMP 最重要的指导思想就是要尽可能简单。nSNMP 的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网络设备等。n在网络正常工作时，SNMP 可实现统计、配置、和测试等功能。当网络出故障时，可实现各种差错检测和恢复功能。n虽然 SNMP 是在 TCP/IP

31、基础上的网络管理协议，但也可扩展到其他类型的网络设备上。SNMP 的网络管理由三个部分组成 nSNMP 本身n管理信息结构 SMI (Structure of Management Information)n管理信息库 MIB (Management Information Base)。6.8 应用进程跨越网络的通信6.8.1 系统调用和应用编程接口1、系统调用：n大多数操作系统使用系统调用(system call)的机制在应用程序和操作系统之间传递控制权。n对程序员来说，每一个系统调用和一般程序设计中的函数调用非常相似，只是系统调用是将控制权传递给了操作系统。多个应用进程使用系统调用的机制

32、应用程序 1应用程序 2应用程序 n由应用程序调用的系统函数用户地址空间中的应用程序系统调用接口系统地址空间中的协议软件包括 TCP/IP 协议软件的操作系统内核2、应用编程接口 API(Application Programming Interface)n当某个应用进程启动系统调用时，控制权就从应用进程传递给了系统调用接口。此接口再将控制权传递给计算机的操作系统。操作系统将此调用转给某个内部过程，并执行所请求的操作。内部过程一旦执行完毕，控制权就又通过系统调用接口返回给应用进程。n因此，系统调用接口实际上就是应用进程的控制权和操作系统的控制权进行转换的一个接口，这个接口又称为应用编程接口 API。n也可以把API看作是应用程序和操作系统之间的接口几种应用编程接口 API nBerkeley UNIX 操作系统定义了一种 API，它又称为套接字接口(socket interface)。n微软公司在其操作系统中采用了套接字接口 API，形成了一个稍有不同的 API，并称之为 Windows Socket。nAT&T 为其 UNIX 系统 V 定义了一种 API，简写为 TLI(Transport Layer Interface)。应用进程通过套接字接入到网络 应用进程TCP由应用程序控制因特网由操作系统控制客户服务器套接字TCP应用进程套接字